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基于FPGA的多通道SSI通信控制器設(shè)計(jì)

作者: 時間:2011-12-26 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

采用VHDL硬件描述語言,以Xilinx公司的為設(shè)計(jì)平臺,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了以開源軟核MC8051為核心的控制單元,控制4路SSI協(xié)議模塊的SoPC架構(gòu)的通信控制器,并對通信控制器進(jìn)行了功能仿真與驗(yàn)證。該控制器可靈活進(jìn)行IP核模塊擴(kuò)展,并可作為外圍處理機(jī)與TI公司TMS320C6000系列DSP進(jìn)行互連通信,將慢速串行通信任務(wù)進(jìn)行分離,從而減輕DSP的負(fù)擔(dān),提高系統(tǒng)的整體性能。

在嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域中,需要完成的任務(wù)越來越復(fù)雜,應(yīng)用環(huán)境也越來越惡劣,要求嵌入式計(jì)算機(jī)在體積不斷減小的情況下,具有更強(qiáng)的處理功能和較低的功耗。本文采用[1]設(shè)計(jì)技術(shù),利用VHDL硬件描述語言[2],將4個同步串行接口協(xié)議SSI IP核[3]模塊組成一個功能可擴(kuò)展的SoPC架構(gòu)的從通信控制器,從而使主從控制器協(xié)同工作,保證了整個嵌入式系統(tǒng)在通信速度達(dá)到技術(shù)要求的前提下,能更有效地降低系統(tǒng)功耗與體積。

1 SoPC設(shè)計(jì)方法

可編程片上系統(tǒng)SoPC(System on Programmable Chip)(或稱基于大規(guī)模的單片系統(tǒng))是一種靈活、高效的SoC解決方案,將處理器、存儲器、I/O口等系統(tǒng)需要的功能模塊集成到一個PLD器件上,構(gòu)成了一個可編程片上系統(tǒng),具有靈活的設(shè)計(jì)方式(可裁減、可擴(kuò)充、可升級),并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程功能。

圖1為典型的基于IP核庫的SoPC設(shè)計(jì)流程,主要是利用軟硬件協(xié)同方法完成整個系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

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2 通信控制器架構(gòu)模塊組成

本文采用了一種全新的SoPC體系結(jié)構(gòu),整個嵌入式系統(tǒng)主要由主控制器和FPGA(從控制器)兩大功能單元組成,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。主控制器選用TI公司的TMS320C6713 DSP,虛框內(nèi)的電路單元則為所設(shè)計(jì)的多通道同步通信控制器(也即從控制器)。通過TMS320C6713處理器芯片自帶的EMIF模塊與基于FPGA實(shí)現(xiàn)的多通道同步通信控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換?;贔PGA實(shí)現(xiàn)的從處理器內(nèi)部選用MC8051 IP軟核來控制和管理4路SSI協(xié)議通信控制器,TMS320C6713與MC8051之間通過雙端口RAM共享數(shù)據(jù)和交換信息,整個系統(tǒng)采用中斷控制方式,實(shí)現(xiàn)主/從控制器協(xié)同處理任務(wù)。

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由圖2可知,該SoPC架構(gòu)控制器內(nèi)部可劃分為4大模塊:從處理器MC8051 IP核、4路SSI協(xié)議通信控制器、雙端口RAM和中斷邏輯單元。下面分別對4個主要組成模塊進(jìn)行介紹。

2.1 從處理器

為了提高同步通信控制器的自主性與靈活性,在FPGA內(nèi)部嵌入一個微控制器80C51 IP核作為同步通信控制器的核心控制單元。MC8051 IP軟核的特點(diǎn)主要有:指令集與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8051控制器兼容;新的體系結(jié)構(gòu)使單片機(jī)處理速度提高了10倍;無多路復(fù)用I/O端口,實(shí)行輸入和輸出接口完全隔離;256 B的內(nèi)部RAM;最高可達(dá)64 KB的內(nèi)部ROM和最高可達(dá)64 KB的外部RAM;容易調(diào)整或改變VHDL源代碼實(shí)現(xiàn)相關(guān)的核擴(kuò)展功能;可通過VHDL常量進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置。

圖3是MC8051 IP核的內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)圖。從圖中可以看到,該IP核包括的子模塊有:算術(shù)邏輯單元MC8051_ALU、串行接口單元MC8051_SIU、定時器/計(jì)數(shù)器單元MC8051_TMRCTR、核心控制單元MC8051_CONTROL、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲單元MC8051_RAM、內(nèi)部程序存儲單元MC8051_ROM和外部數(shù)據(jù)存儲單元MC8051_RAMX。其中,N表示MC8051_SIU和MC8051_TMRCTR兩個單元根據(jù)實(shí)際需要可靈活制定的個數(shù),其范圍值為1~256,可在VHDL代碼中改變參數(shù)C_IMPL_N_TMR的值進(jìn)行設(shè)置。

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2.2 SSI協(xié)議控制器


同步串行接口SSI(Synchronous Serial Interface)[4]通信協(xié)議是同步串行通信協(xié)議的一種類型,該協(xié)議主要包含幀同步信號GATE、時鐘信號CLK和串行數(shù)據(jù)DATA三類信號,其時序關(guān)系如圖4所示。

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在圖4中,幀同步信號GATE有方式1和方式2兩種可選擇方式協(xié)調(diào)控制時鐘信號CLK和串行數(shù)據(jù)DATA。方式1用虛曲線①表示,在該方式下,整個系統(tǒng)空閑時,GATE一直處于高電平狀態(tài),當(dāng)觸發(fā)一個瞬態(tài)低電平脈沖后,DATA在GATE信號的上升沿根據(jù)系統(tǒng)配置要求進(jìn)行傳輸,同時GATE保持高電平。方式2用實(shí)曲線②表示,該方式下當(dāng)系統(tǒng)空閑時,GATE一直處于低電平狀態(tài),當(dāng)觸發(fā)一個瞬態(tài)高電平脈沖后,DATA在GATE信號的下降沿進(jìn)行傳輸,同時GATE保持低電平。在上述兩種方式中,DATA可在CLK的上升沿或者下降沿保持穩(wěn)定并進(jìn)行采集。

SSI IP核接口信號圖如圖5所示。

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本文中共定義了4路(A~D)相同結(jié)構(gòu)的SSI IP核,MC8051通過中斷和查詢方式對4路通信協(xié)議控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)的收/發(fā)操作控制。

2.3 雙端口RAM

MC8051中的外部數(shù)據(jù)存儲器MC8051_XRAM存儲空間最高可達(dá)到64 KB,本設(shè)計(jì)用VHDL語言生成一個32 KB的外部數(shù)據(jù)擴(kuò)展雙端口存儲器MC8051_XRAM,一端供MC8051 IP核操作,另一端供DSP操作,通過地址線譯碼,從而為MC8051_XRAM和4路SSI協(xié)議控制器提供cs_x和cs_a~cs_d等片選信號。輸入MC8051_XRAM模塊的地址線為addra(15:0),實(shí)際使用到的地址線空間為addra(14:0),支持32 KB尋址空間。

2.4 中斷邏輯單元

中斷邏輯單元的操作地址為FFD3H,當(dāng)DSP向該地址進(jìn)行寫操作時,中斷邏輯單元將向多通道同步通信控制器發(fā)出低有效的中斷信號;當(dāng)多通道同步通信控制器中的MC8051向該地址進(jìn)行寫操作時,中斷邏輯單元將清除中斷。該中斷邏輯單元的信號接口信息如表1所示。

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選中A路通道對并行數(shù)據(jù)的發(fā)送進(jìn)行仿真測試,其測試仿真如圖7所示。從圖可以看出,并行數(shù)據(jù)Data在MC8051工作時鐘Wr_clk和外部分頻時鐘Exclk作用下,通過設(shè)置A通道內(nèi)的寄存器組合達(dá)到最終串行數(shù)據(jù)的發(fā)送。從而可以驗(yàn)證,數(shù)據(jù)發(fā)送仿真功能正確。

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選中B路通道對外圍串行數(shù)據(jù)的接收進(jìn)行仿真測試,其測試仿真如圖8所示。從圖可以看出,串行數(shù)據(jù)Rxd在MC8051工作時鐘Clk和外部分頻時鐘Exclk作用下,通過配置B通道內(nèi)的寄存器組合得到并行數(shù)據(jù)的接收。從而可以驗(yàn)證,數(shù)據(jù)接收仿真功能正確。

本文以Xilinx公司的FPGA器件為設(shè)計(jì)平臺,采用VHDL硬件描述語言,設(shè)計(jì)了一種SoPC架構(gòu)的從通信控制器,并對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了仿真與驗(yàn)證,得出了設(shè)計(jì)方案的正確性,并已成功用于某遙測數(shù)據(jù)工程實(shí)踐中,因其兼具較高的數(shù)據(jù)傳輸率、IP核的可移植性和靈活擴(kuò)展性而容易推廣使用。

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