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不用处理器控制FPGA总线的方法

时间:2016-07-28 作者:Noe Quintero 阅读:
许多FPGA设计使用嵌入式处理器实现控制。本设计实例使用Altera的SPI Slave to Avalon MM桥实现了一种挂接到Avalon总线的简单方法。

许多FPGA设计使用嵌入式处理器实现控制。典型的解决方案是使用Nios这样的软处理器,虽然内置硬处理器的FPGASoC也变得很流行了。图1显示的是一个典型的Altera FPGA系统,其中包含了处理器和通过Altera的Avalon内存映射(MM)总线连接的各种外设。这些处理器极大地简化了终端应用,但要求很强的编程背景和复杂的工具链知识。这将妨碍调试,特别是当硬件工程师不想求助软件工程师,只需要一种简单的方式读写外设时。406ednc

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图1:使用Avalon内存映射总线连接的典型Altera FPGA系统。

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本设计实例使用Altera的SPI Slave to Avalon MM桥实现了一种挂接到Avalon总线的简单方法。这种技术有两个优势:它不会影响原始系统设计,桥可以与嵌入式处理器共存。对于图1所示的系统来说,这种SPI桥允许工程师直接控制LTC6948小数分频锁相环的频率、设置LTC1668数模转换器的电压、读取LTC2498模数转换器的电压或读取LTC2983的温度,就像处理器那样。406ednc

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图2:高亮部分+例子代码+反向工程=Python脚本。

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Altera为SPI-Avalon MM桥提供了参考设计。遗憾的是,相关文档非常少,并且将Nios处理器用作SPI主器件。这其实有违使用SPI桥的初衷,因为Nios可以直接连接Avalon MM总线。实用性的SPI主器件是凌力尔特公司的Linduino微控制器,它是Arduino处理器的的克隆版本,不过增加了连接LT演示板的接口等额外功能。其中一个额外功能是电平转换SPI端口。当连接电压低至1.2V的FPGA I/O组时这个电平转换功能特别有用。Linduino固件可以用来接受来自虚拟COM端口的命令,并将命令翻译成SPI处理内容。
在对Altera设计例子进行反向工程后(图2)就能得到一个Python库,接着创建SPI桥可以接受的数据包。这些数据包随后被翻译成Linduino命令。Python脚本随后允许硬件工程师完全控制整个项目,无需重新开发接口协议。LinearLabToolsPhython文件夹中提供了帮助LTC1668数模转换器控制数字图案发生器频率的Python脚本例子。图3显示了演示装置。406ednc

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图3:插入FPGA电路板(左)的DC2459数模转换器演示板(右)。

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图4显示了系统框图。注意,数字控制振荡器(NCO)可以由移位寄存器或PIO内核进行控制。移位寄存器用于调试,因为它可以直接控制NCO。将GPIO线置高将激活SPI-Avalon桥,进而控制Avalon总线上的32位PIO端口。PIO输出随即用于控制NCO频率。406ednc

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图4:FPGA系统框图。

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借助基本的一些系统操作,可以将额外的外设内核连接到总线上。为了帮助系统设计,Altera提供了一款名为Qsys的工具,它提供了连接各个IP的图形用户界面(GUI)。Qsys可以将GUI设计的系统(图5)翻译为HDL。外设地址是完全可配置的。在这个案例中,PIO被设为基地址0x0。406ednc

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图5:Qsys GUI。

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当设计在FPGA中实现后,LinearLabTools中提供的Python库包含的两个函数就能连接到设计:406ednc

transaction_write(dc2026, base, write_size, data)
transaction_read(dc2026, base, read_size)406ednc

这些函数的第一个参数是Linduino的串口实例。第二个参数是Avalon总线上的外设地址。这两个函数分别用于接收和返回字节列表。当读写IP时这两个函数具有一定的灵活性。为了设置给定例子的NCO,只需要transaction_write一个函数。公式1用于确定调节字。406ednc

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要将NCO设为1kHz并具有50MSPS采样率,调节字的值需要设为85899或0x00014F8B,并按4个字节一起传送。这样,将数模转换器设为1kHz的Python代码是:
transaction_write(linduino_serial_instance, 0, 0, [0x0, 0x01, 0x4F, 0x8B])406ednc

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图6:Python Avalon总线例子。

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图6中的Python脚本描述了用于配置NCO的简单文本接口。值得一提的是:SPI桥使用SPI模式3。这是通过不断的试错,并通过分析Altera例子中的Nios处理器的SPI接口验证后才确定的模式。
本设计实例提供了一种无需使用嵌入式处理器就能控制系统的方法,它能帮助硬件工程师在不打扰软件工程师的情况下搞定一个项目,并且对硬件设计的影响最小。406ednc

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