跳上Avalon總線：一種簡化的FPGA接口

　　引言

　　許多新式FPGA設(shè)計采用了一些用于控制的嵌入式處理器。一種典型解決方案需要使用諸如NIOS等嵌入式軟處理器。另一種解決方案則使用包含一個內(nèi)置硬處理器的SoC(片上系統(tǒng))器件。圖1所示為一個典型的Altera FPGA系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含處理器和一系列通過Avalon內(nèi)存映射(MM)總線連接的外設(shè)。這些處理器極大地簡化了最終應(yīng)用，但是要求開發(fā)人員擁有堅實的編程背景和精細復(fù)雜工具鏈的相關(guān)知識。這會阻礙調(diào)試工作的推進，特別是如果硬件工程師需要一種不會煩擾軟件工程師即可完成外設(shè)讀寫的簡單方法。

　　圖1 通過Avalon內(nèi)存映射(MM)總線連接的典型Altera FPGA系統(tǒng)

　　1 SPI-Avalon MM橋接器

　　該設(shè)計思想運用了Altera(2015年被英特爾收購，成為其下的可編程解決方案事業(yè)部)的SPI從端至Avalon MM橋接器，以提供一種跳上Avalon總線的簡單方法。采用這種方法有兩項優(yōu)勢：它并未損害原始系統(tǒng)設(shè)計，而且該橋接器能夠與嵌入式處理器共存。對于圖1中所示的系統(tǒng)，SPI-Avalon MM橋接器將允許設(shè)計師直接控制LTC6948分數(shù)N PLL的頻率，設(shè)定LTC1668 DAC電壓，從LTC2498讀取一個電壓，或者從LTC2983讀取溫度，就像處理器一樣。

　　圖2 熒光筆+示例代碼+反向工程=Python腳本

　　Altera 提供了一款針對SPI-Avalon MM橋接器的參考設(shè)計。不幸的是，文檔較為稀少，并且使用一個NIOS處理器作為SPI主控器。這實際上違背了SPI橋接器的初衷，因為NIOS處理器可直接連接至Avalon MM總線。一款實用的SPI主控器是凌力爾特的Linduino?微控制器，它是具有附加特性的Arduino克隆產(chǎn)品，以與LT演示板相連接。附加特性之一是電平移位SPI端口。當連接至具有低至1.2V電壓的FPGA I/O塊時，這種電平移位功能是特別有幫助的。Linduino固件可用于通過一個虛擬COM端口接受命令并把命令轉(zhuǎn)化為SPI事務(wù)處理。

　　在對Altera實例設(shè)計實施了反向工程之后(圖2的左側(cè))，開發(fā)一個Python庫以生成橋接器將要接受的數(shù)據(jù)包。這些數(shù)據(jù)包隨后被轉(zhuǎn)化為Linduino命令。這樣，一個簡單的Python腳本使得硬件工程師能夠全面地控制項目，并不需要徹底改變接口協(xié)議。在 LinearLabTools Python文件夾中提供了一個控制用于LTC1668 DAC的數(shù)字圖形發(fā)生器之頻率的Python腳本實例。圖3所示為演示設(shè)置。

　　圖3 DC2459在工作中

　　圖4給出了FPGA的系統(tǒng)方框圖。請注意，數(shù)控振蕩器(DCO)可由移位寄存器或PIO內(nèi)核來控制。內(nèi)置移位寄存器用于調(diào)試，因為它提供了NCO的直接控制。把GPIO線邏輯電平設(shè)定為“高”將使能SPI-Avalon MM橋接器，該橋接器接著通過Avalon MM總線控制一個32位PIO端口。然后，PIO輸出控制NCO頻率。

　　圖4 DC2459A FPGA系統(tǒng)方框圖

　　2系統(tǒng)集成工具Qsys

　　當最基本的系統(tǒng)運行時，可以把額外的Avalon外設(shè)IP內(nèi)核連接至Avalon MM總線。為了設(shè)計系統(tǒng)，Altera提供了一款被稱為Qsys的系統(tǒng)集成工具。這款工具提供一個GUI以相互連接IP。Qsys隨后被用于把GUI系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為硬件描述語言(HDL)Verilog。圖5所示為GUI。最后，系統(tǒng)將被添加至用于實施的頂層。IP的地址是完全可配置的。就給出的實例而言，PIO被設(shè)定在一個0x0的基地址單元。

　　圖5 Qsys GUI

　　一旦在 FPGA 中實現(xiàn)了設(shè)計，則LinearLabTools中提供的Python庫包含兩個函數(shù)以與設(shè)計接口：

　　transaction_write(dc2026, base, write_size, data)

　　transaction_read(dc2026, base, read_size)

　　這些函數(shù)的第一個參數(shù)是Linduino串行端口實例。第二個參數(shù)是外設(shè)在Avalon總線上的地址。這些函數(shù)分別接受和返還字節(jié)列表。編寫這兩個函數(shù)以在讀和寫IP時提供靈活性。如欲設(shè)定用于所提供實例的NCO，則所需的就是transaction_write函數(shù)。式(1)用于確定頻率控制字。

　　頻率控制字 = (期望的頻率/系統(tǒng)時鐘頻率) x 232 (1)

　　如要把NCO設(shè)定至1kHz和一個50Msps采樣速率，則頻率控制字數(shù)值設(shè)為85899。該數(shù)值用十六進制來表示即為 0x00014F8B，其作為一個4字節(jié)列表進行傳遞。于是，用于把DAC設(shè)定至1kHz的Python代碼為：

　　transaction_write(linduino_serial_instance, 0, 0, [0x0,0x01,0x4F, 0x8B])

　　注：根據(jù)邏輯設(shè)計，PIO 的基地址為零。

　　圖6 Python Avalon總線示例

　　3 Python Avalon總線示例

　　本文提供一個如圖6所示的簡單Python腳本，以演示FPGA設(shè)計和Python腳本的接口。它包含一個簡單的文本接口以配置NCO。一個重要提示是Avalon SPI橋接器采用SPI Mode 3。這是痛苦地通過反復(fù)試驗而確定正確模式;并通過分析Altera實例中的NIOS處理器SPI接口進行驗證。

　　4 結(jié)論

　　該實例項目展示了完全無需“接觸”嵌入式處理器便可控制系統(tǒng)的能力。這讓硬件工程師不必麻煩軟件工程師就能在項目方面取得進展。這種方法的好處可以悄然地添加至 FPGA，并不會影響原始設(shè)計。硬件工程師可以把精力集中在硬件上。