NIOS II的SOPC中存儲器型外設接口的設計

0 引言

隨著微電子設計技術與工藝的發(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)，同時可編程邏輯器件也取得了長足進步。

如今，可完成超大規(guī)模的復雜組合邏輯與時序邏輯的FPGA器件不斷推陳出新，從而為實現(xiàn)片上可編程系統(tǒng)(SOPC)提供了強大的硬件支持。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、存儲器、I／O口等系統(tǒng)設計所需要的功能模塊集成到一個可編程器件上，從而構成一個可編程的片上系統(tǒng)。

同時，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，并將其無縫地集成在一起。

利用Quartus II的SOPC Builder能夠方便的構建一個基于FPGA的SOPC系統(tǒng)，SOPC Builder的系統(tǒng)庫中包含了一些常用的Nios II外圍設備，可以自動生成Avalon總線，以用于連接各個模塊，從而形成SOPC系統(tǒng)。但系統(tǒng)庫中沒有提供的器件，而需要用戶根據(jù)器件的具體情況設計Avalon接口。另外，對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)范和外設的控制時序來定制接口。

在實際工程中，通?？梢允褂玫?a class="contentlabel" href="http://www.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/存儲器">存儲器有片上存儲器和片外存儲器，其中前者指的是FPGA內(nèi)嵌的存儲器，如片上RAM、FIFO、緊耦合存儲器等；后者為FPGA片外存儲器，如SRAM、SDRAM等。本文介紹了將片內(nèi)存儲器FIFO、緊耦合存儲器及16位的SRAM集成在SOPC系統(tǒng)中，并在FPGA開發(fā)板上實現(xiàn)的方法，其內(nèi)容包括外設的接入方法，以及緊耦合存儲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。Avalon交換式總線由SOPCBuilder自動生成，是一種理想的、用于系統(tǒng)處理器和外設之間的內(nèi)部連線。SOPC Builder可利用最少的FPGA資源，產(chǎn)生最佳的Avalon交換結構。在SOPC Builder中，每當一個新的組件被添加到系統(tǒng)中或是某個外設接人優(yōu)先權被改變時，就會有一個新的、最佳的Avalon交換式總線被生成。Avalon交換式總線的整個生成過程都由SOPCBuilder自動完成。SOPC Builder自動生成的Avalon交換式總線可使用最少的邏輯資源來支持數(shù)據(jù)總線的服用、地址譯碼、等待周期的產(chǎn)生、外設的地址對齊(包括支持靜態(tài)和動態(tài)地址對齊)、中斷優(yōu)先級的指定以及高級的交換式總線傳輸。Avalon交換式總線所定義的內(nèi)聯(lián)線策略使得任何一個Avalon總線上的主外設都可以與任何一個從外設進行通信。

Avalon總線結構構成的基本原則是：所有外設的接口與Avalon總線的時鐘同步，并與Avalon總線的握手／應答信號一致；同時所有信號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，地址、數(shù)據(jù)和控制信號使用分離的專用端口，外設無需識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／從外設上基于地址的讀／寫接口。Avalon端口就是一組Avalon信號，這些信號用作一個單一的接口。Avalon端口分為主端口和從端口。主端口為發(fā)起傳輸?shù)腁valon信號類型的集合。從端口為響應傳輸請求的Avalon信號類型的集合。從端口的基本信號有address、readdata、writedata、read、write、chipselect等。從端口的讀傳輸可使用等待周期、建立時間等傳輸屬性，但Avalon從端口讀傳輸不使用保持時間屬性。對于有些外設，在read信號有效之前，其address和chipselect信號需要一定周期才能達到穩(wěn)定，因此具有建立時間的Avalon傳輸應滿足上述建立時間要求。具有建立時間的讀傳輸使用的信號與基本讀傳輸?shù)男盘栂嗤?，不同之處只在于信號的時序。從端口的寫傳輸除了具有與讀傳輸同樣的傳輸屬性外，還具有保持時間，其建立保持時間通常用于需要addtess、byteenable、writedata和chipselect信號在write脈沖之前和／或之后的幾個周期內(nèi)保持穩(wěn)定的片外外設。

1.2 地址對齊方式

當系統(tǒng)中存在數(shù)據(jù)寬度不匹配的主-從端口對時，需要考慮地址對齊問題。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)地址邊界對齊。對于存儲器外設，一般應使用動態(tài)地址對齊。若Avalon從端口是一個對寄存器文件的接口，則應使用靜態(tài)地址對齊。寄存器文件提供有對內(nèi)部外設邏輯的訪問功能。

一般情況下，動態(tài)地址對齊方式可以自動適應和Avalon master端口寬度不同的器件，而同時保持地址增長的方式是以字節(jié)為單位增長的方式。匹配不同端口寬度的mater和slave時，可使用動態(tài)地址對齊方式來得到一個連續(xù)的存儲器空間。而采用動態(tài)地址對齊方式需要連接字節(jié)使能信號。

靜態(tài)地址對齊的地址增長單位是Avalon master的端口寬度，每次讀寫都只對應一次操作，但在匹配不同端口寬度的mater和slave時，地址不能自動調(diào)整。某些地址可能沒有相應的物理實體和它對應。

2 Nios II系統(tǒng)中的緊耦合存儲器

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



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

在構建SOPC系統(tǒng)時，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。片上存儲器可選擇SOPC Builder提供的onchip_memory，并在緊耦合指令存儲器中設置其為雙端口。當系統(tǒng)中的元件添加完成后，SOPC Builder會自動連接緊耦合指令／數(shù)據(jù)存儲器的從端口和其他主端口，但是，這時候需要手動修改連接關系。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器的配置如圖2所示。