NIOS II的SOPC中存儲(chǔ)器型外設(shè)接口的設(shè)計(jì)

0? 引言

隨著微電子設(shè)計(jì)技術(shù)與工藝的發(fā)展，數(shù)字集成電路由最初的電子管、晶體管逐步發(fā)展成專用集成電路(ASIC，Application Specific IntegratedCircuit)，同時(shí)可編程邏輯器件也取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。

如今，可完成超大規(guī)模的復(fù)雜組合邏輯與時(shí)序邏輯的FPGA器件不斷推陳出新，從而為實(shí)現(xiàn)片上可編程系統(tǒng)(SOPC)提供了強(qiáng)大的硬件支持。SOPC是Ahera公司提出的一種靈活、高效的片上系統(tǒng)(SOC)解決方案，它將處理器、存儲(chǔ)器、I／O口等系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需要的功能模塊集成到一個(gè)可編程器件上，從而構(gòu)成一個(gè)可編程的片上系統(tǒng)。

同時(shí)，Altera公司也提供了完整的開發(fā)套件(QuaItus II、SOPC Builder、Nios II IDE)和仿真工具等軟件，并將其無(wú)縫地集成在一起。

利用Quartus II的SOPC Builder能夠方便的構(gòu)建一個(gè)基于FPGA的SOPC系統(tǒng)，SOPC Builder的系統(tǒng)庫(kù)中包含了一些常用的Nios II外圍設(shè)備，可以自動(dòng)生成Avalon總線，以用于連接各個(gè)模塊，從而形成SOPC系統(tǒng)。但系統(tǒng)庫(kù)中沒有提供的器件，而需要用戶根據(jù)器件的具體情況設(shè)計(jì)Avalon接口。另外，對(duì)于一些沒有邏輯功能的接口可以直接與總線相連，但需要根據(jù)Avalon總線規(guī)范和外設(shè)的控制時(shí)序來(lái)定制接口。

在實(shí)際工程中，通常可以使用的存儲(chǔ)器有片上存儲(chǔ)器和片外存儲(chǔ)器，其中前者指的是FPGA內(nèi)嵌的存儲(chǔ)器，如片上RAM、FIFO、緊耦合存儲(chǔ)器等；后者為FPGA片外存儲(chǔ)器，如SRAM、SDRAM等。本文介紹了將片內(nèi)存儲(chǔ)器FIFO、緊耦合存儲(chǔ)器及16位的SRAM集成在SOPC系統(tǒng)中，并在FPGA開發(fā)板上實(shí)現(xiàn)的方法，其內(nèi)容包括外設(shè)的接入方法，以及緊耦合存儲(chǔ)器如何通過緊耦合從端口直接與處理器的緊耦合數(shù)據(jù)／指令主端口相連等。

1? SOPC中的Avalon總線

Avalon交換式總線是由Altera公司開發(fā)的一種專用的內(nèi)部連線技術(shù)。Avalon交換式總線由SOPCBuilder自動(dòng)生成，是一種理想的、用于系統(tǒng)處理器和外設(shè)之間的內(nèi)部連線。SOPC Builder可利用最少的FPGA資源，產(chǎn)生最佳的Avalon交換結(jié)構(gòu)。在SOPC Builder中，每當(dāng)一個(gè)新的組件被添加到系統(tǒng)中或是某個(gè)外設(shè)接人優(yōu)先權(quán)被改變時(shí)，就會(huì)有一個(gè)新的、最佳的Avalon交換式總線被生成。Avalon交換式總線的整個(gè)生成過程都由SOPCBuilder自動(dòng)完成。SOPC Builder自動(dòng)生成的Avalon交換式總線可使用最少的邏輯資源來(lái)支持?jǐn)?shù)據(jù)總線的服用、地址譯碼、等待周期的產(chǎn)生、外設(shè)的地址對(duì)齊(包括支持靜態(tài)和動(dòng)態(tài)地址對(duì)齊)、中斷優(yōu)先級(jí)的指定以及高級(jí)的交換式總線傳輸。Avalon交換式總線所定義的內(nèi)聯(lián)線策略使得任何一個(gè)Avalon總線上的主外設(shè)都可以與任何一個(gè)從外設(shè)進(jìn)行通信。

Avalon總線結(jié)構(gòu)構(gòu)成的基本原則是：所有外設(shè)的接口與Avalon總線的時(shí)鐘同步，并與Avalon總線的握手／應(yīng)答信號(hào)一致；同時(shí)所有信號(hào)均為高電平或低電平，并由多路選擇器完成選擇功能，它沒有三態(tài)信號(hào)，地址、數(shù)據(jù)和控制信號(hào)使用分離的專用端口，外設(shè)無(wú)需識(shí)別總線地址周期和數(shù)據(jù)總線周期。

1.1 Avalon從端口

Avalon接口定義了一組信號(hào)類型(如片選、讀使能、寫使能、地址、數(shù)據(jù)等)，可用于描述主／從外設(shè)上基于地址的讀／寫接口。Avalon端口就是一組Avalon信號(hào)，這些信號(hào)用作一個(gè)單一的接口。Avalon端口分為主端口和從端口。主端口為發(fā)起傳輸?shù)腁valon信號(hào)類型的集合。從端口為響應(yīng)傳輸請(qǐng)求的Avalon信號(hào)類型的集合。從端口的基本信號(hào)有address、readdata、writedata、read、write、chipselect等。從端口的讀傳輸可使用等待周期、建立時(shí)間等傳輸屬性，但Avalon從端口讀傳輸不使用保持時(shí)間屬性。對(duì)于有些外設(shè)，在read信號(hào)有效之前，其address和chipselect信號(hào)需要一定周期才能達(dá)到穩(wěn)定，因此具有建立時(shí)間的Avalon傳輸應(yīng)滿足上述建立時(shí)間要求。具有建立時(shí)間的讀傳輸使用的信號(hào)與基本讀傳輸?shù)男盘?hào)相同，不同之處只在于信號(hào)的時(shí)序。從端口的寫傳輸除了具有與讀傳輸同樣的傳輸屬性外，還具有保持時(shí)間，其建立保持時(shí)間通常用于需要addtess、byteenable、writedata和chipselect信號(hào)在write脈沖之前和／或之后的幾個(gè)周期內(nèi)保持穩(wěn)定的片外外設(shè)。

1.2 地址對(duì)齊方式

當(dāng)系統(tǒng)中存在數(shù)據(jù)寬度不匹配的主-從端口對(duì)時(shí)，需要考慮地址對(duì)齊問題。若系統(tǒng)中所有主端口和從端口都具有同樣的數(shù)據(jù)寬度，則從端口數(shù)據(jù)的所有單元與主端口地址空間的靜態(tài)地址邊界對(duì)齊。對(duì)于存儲(chǔ)器外設(shè)，一般應(yīng)使用動(dòng)態(tài)地址對(duì)齊。若Avalon從端口是一個(gè)對(duì)寄存器文件的接口，則應(yīng)使用靜態(tài)地址對(duì)齊。寄存器文件提供有對(duì)內(nèi)部外設(shè)邏輯的訪問功能。

一般情況下，動(dòng)態(tài)地址對(duì)齊方式可以自動(dòng)適應(yīng)和Avalon master端口寬度不同的器件，而同時(shí)保持地址增長(zhǎng)的方式是以字節(jié)為單位增長(zhǎng)的方式。匹配不同端口寬度的mater和slave時(shí)，可使用動(dòng)態(tài)地址對(duì)齊方式來(lái)得到一個(gè)連續(xù)的存儲(chǔ)器空間。而采用動(dòng)態(tài)地址對(duì)齊方式需要連接字節(jié)使能信號(hào)。

靜態(tài)地址對(duì)齊的地址增長(zhǎng)單位是Avalon master的端口寬度，每次讀寫都只對(duì)應(yīng)一次操作，但在匹配不同端口寬度的mater和slave時(shí)，地址不能自動(dòng)調(diào)整。某些地址可能沒有相應(yīng)的物理實(shí)體和它對(duì)應(yīng)。

2 Nios II系統(tǒng)中的緊耦合存儲(chǔ)器

Nios II系統(tǒng)中的緊耦合存儲(chǔ)器是旁路緩存的片上存儲(chǔ)器，該存儲(chǔ)器具有最好的存儲(chǔ)器訪問性能，能采用與其它存儲(chǔ)器一樣的方法為之分配代碼和數(shù)據(jù)。圖1是包括緊耦合存儲(chǔ)器和其他外設(shè)的Nios II系統(tǒng)圖。



SOPC Builder中的片上存儲(chǔ)器是唯一能夠與Nios II內(nèi)核上的緊耦合主端口相連接的存儲(chǔ)器，而且，該片上存儲(chǔ)器必須配置為RAM，同時(shí)處理器上的緊耦合主端口也必須只與一個(gè)片上存儲(chǔ)器從端口相連接。每個(gè)緊耦合主端口都可以通過緊耦合接口與緊耦合從端口進(jìn)行連接，因此，需要雙端口存儲(chǔ)器與緊耦合指令主端口進(jìn)行連接。由于緊耦合指令主端口只能訪問可執(zhí)行代碼，因此，雙端口存儲(chǔ)器的第二個(gè)存儲(chǔ)器端口應(yīng)當(dāng)與處理器的數(shù)據(jù)端口相連，這樣便于對(duì)數(shù)據(jù)的讀／寫操作。

在構(gòu)建SOPC系統(tǒng)時(shí)，Nios II處理器需要選中Include tightly coupled instruction master pods以及Include tightly coupled data master pods，這樣就可以添加處理器的緊耦合指令／數(shù)據(jù)主端口。片上存儲(chǔ)器可選擇SOPC Builder提供的onchip_memory，并在緊耦合指令存儲(chǔ)器中設(shè)置其為雙端口。當(dāng)系統(tǒng)中的元件添加完成后，SOPC Builder會(huì)自動(dòng)連接緊耦合指令／數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的從端口和其他主端口，但是，這時(shí)候需要手動(dòng)修改連接關(guān)系。tightly_coupled_instruction_memory的s1端口僅與處理器的緊耦合指令主端口相連接，而s2端口則可以作為一個(gè)Avalon從端口僅與處理器的Avalon數(shù)據(jù)主端口相連接，而tightly_coupled_data_memory的sl端口僅連接到處理器的緊耦合數(shù)據(jù)主端口。Nios II處理器中緊耦合存儲(chǔ)器的配置如圖2所示。



緊耦合數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)可以通過設(shè)定數(shù)據(jù)單元大小后在.hex文件中進(jìn)行初始化。SOPCBuilder編譯成功后，可在Nios II IDE下編寫測(cè)試代碼，以便將初始化文件中的數(shù)據(jù)通過指向地址的指針讀出。以下是部分測(cè)試代碼：

???

3 FIFO接口的設(shè)計(jì)

Altera公司已將FIFO內(nèi)嵌到FPGA中，用戶可以根據(jù)不同的設(shè)計(jì)需求來(lái)使用。FIFO的基本單元是寄存器，作為存儲(chǔ)器件，它的存儲(chǔ)能力可由內(nèi)部定義的存儲(chǔ)寄存器的數(shù)量決定，一般以數(shù)據(jù)量的深度X為寬度形式來(lái)說明所采用的基本結(jié)構(gòu)，它通常是雙端口的存儲(chǔ)器，其中一個(gè)端口用于寫入數(shù)據(jù)，另一個(gè)端口用于讀出數(shù)據(jù)。使用時(shí)可以同時(shí)對(duì)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元進(jìn)行寫入和讀出操作，而且FIFO型的存儲(chǔ)器不需要由地址來(lái)存取數(shù)據(jù)。它通常需要由另外的信號(hào)線(或標(biāo)志)來(lái)標(biāo)明存儲(chǔ)器的狀態(tài)。

SOPC Builder中沒有相應(yīng)的FIFO接口控制器，因此需要自己定義FIFO接口。可首先在Quartus II的界面中新建一個(gè).bdf文件，在下拉菜單中選擇MegaWizard Plug-InManager，在打開的選項(xiàng)中從altera提供的庫(kù)中找到FIFO，并根據(jù)需要選擇FIFO的深度及寬度，設(shè)定好參數(shù)后再添加在.bdf中。然后在Ouartus II工程中打開SOPC Builder，并在Create New Comlaonet打開創(chuàng)建元件向?qū)В瑫r(shí)在Signals選項(xiàng)卡中添加端口信號(hào)。由于需要將緊耦合存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)寫到FIFO中，因此，F(xiàn)IFO的接口信號(hào)有寫使能addr和32位寫數(shù)據(jù)接口writedata等，且時(shí)鐘和處理器的時(shí)鐘信號(hào)相同。FIFO作為外設(shè)存儲(chǔ)器設(shè)備，其地址對(duì)齊方式一般選擇動(dòng)態(tài)地址對(duì)齊。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證FIFO的時(shí)序符合要求后，即可將緊耦合數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)寫到FIFO。圖3所示是將緊耦合數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)寫人FIFO的時(shí)序驗(yàn)證。



4 SRAM的接口設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中的SRAM采用的是ISSI公司的IS61LV25616AL-10TL型16位高速異步SRAM，它屬于存儲(chǔ)器型外設(shè)，因此，地址對(duì)齊方式選擇動(dòng)態(tài)地址對(duì)齊。SRAM可通過Avalon三態(tài)從端口與Avalon交換架構(gòu)相連接。圖4所示是SRAM在系統(tǒng)中的位置示意圖。



Avalon的三態(tài)特性允許基于Avalon的系統(tǒng)直接與片外設(shè)備相連接，例如存儲(chǔ)器芯片或一個(gè)外部處理器。Avalon三態(tài)從端口允許Avalon SwitchFabric與PCB板上共享的地址和數(shù)據(jù)總線的片外設(shè)備進(jìn)行接口，可用于將Avalon Switch Fabric與同步和異步存儲(chǔ)器芯片的連接。三態(tài)從端口通常使用雙向信號(hào)data，而不是獨(dú)立的、單向信號(hào)readdata和writedata。Data信號(hào)是三態(tài)的，因而允許多個(gè)三態(tài)外設(shè)與數(shù)據(jù)總線相連而不引起信號(hào)沖突。Avalon三態(tài)從端口經(jīng)常使用負(fù)邏輯信號(hào)，符合典型的存儲(chǔ)器芯片的約定。Avalon三態(tài)從端口信號(hào)需要注意的是地址信號(hào)。Avalon三態(tài)從端口地址信號(hào)一般代表一個(gè)字節(jié)地址，這與使用字地址的非三態(tài)從端口不同。Avalon三態(tài)從端口的地址信號(hào)可被多個(gè)片外設(shè)備共享，這些設(shè)備可能有不同的數(shù)據(jù)寬度。若Avalon三態(tài)從端口的數(shù)據(jù)寬度比一個(gè)字節(jié)大，則必須將地址信號(hào)從AvalonSwitch Fabric正確映射到從設(shè)備的地址線。

Avalon Switch Fabric信號(hào)直接與具有Avalon三態(tài)從端口的片外異步存儲(chǔ)器相連一般不需要時(shí)鐘信號(hào)，而在chipsclest、read或write信號(hào)上的脈沖則使用建立和保持時(shí)間與傳輸同步。

PCB板中有片選、讀寫使能、高低字節(jié)使能、數(shù)據(jù)線、地址線，因此，在SOPC Builder中的Create New Componet中設(shè)置SRAM的信號(hào)線包括數(shù)據(jù)線sram_data、地址線sram_addr、片選sram_ce、讀寫使能sram_oe、we以及字節(jié)使能信號(hào)sram_be。通過閱讀IS61LV25616AL-10TL型高速異步靜態(tài)RAM手冊(cè)可知，其建立時(shí)間、保持時(shí)間都為40ns，讀等待和寫等待為160ns，這使其既可符合Avalon總線時(shí)序的要求，又符合IS61LN25616AL-10TL型SRAM的時(shí)序要求。圖5所示為SRAM的三態(tài)從接口配置圖，圖6是將緊耦合數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)寫入SRAM的時(shí)序波形。



5? 結(jié)束語(yǔ)

本文通過將片上和片外存儲(chǔ)器接入SOPC系統(tǒng)，介紹了存儲(chǔ)器型外設(shè)接口的定制方法。同時(shí)說明了將緊耦合存儲(chǔ)器添加至系統(tǒng)，以及將數(shù)據(jù)通過處理器由存儲(chǔ)器讀寫到存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)方法，并在cyclone EP1C120240C8的FPGA上進(jìn)行了結(jié)果驗(yàn)證，因此，用戶可根據(jù)實(shí)際需要采用此方法將外設(shè)接入Avalon總線，并構(gòu)建SOPC系統(tǒng)。