NIOS II的SOPC中存儲器型外設(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)庫中包含了一些常用的Nios II外圍設(shè)備，可以自動生成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)序來定制接口。

在實(shí)際工程中，通常可以使用的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(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?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(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)答信號一致；同時(shí)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(shè)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(shè)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(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信號類型的集合。從端口為響應(yīng)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(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。對于有些外設(shè)，在read信號有效之前，其address和chipselect信號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與基本讀傳輸?shù)男盘栂嗤?，不同之處只在于信號的時(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-從端口對時(shí)，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(shè)，一般應(yīng)使用動態(tài)地址對齊。若Avalon從端口是一個(gè)對寄存器文件的接口，則應(yīng)使用靜態(tài)地址對齊。寄存器文件提供有對內(nèi)部外設(shè)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(yīng)和Avalon master端口寬度不同的器件，而同時(shí)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(shí)，可使用動態(tài)地址對齊方式來得到一個(gè)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(yīng)一次操作，但在匹配不同端口寬度的mater和slave時(shí)，地址不能自動調(diào)整。某些地址可能沒有相應(yīng)的物理實(shí)體和它對應(yīng)。

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(shè)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(shí)處理器上的緊耦合主端口也必須只與一個(gè)片上存儲器從端口相連接。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，雙端口存儲器的第二個(gè)存儲器端口應(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。片上存儲器可選擇SOPC Builder提供的onchip_memory，并在緊耦合指令存儲器中設(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(shí)候需要手動修改連接關(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器的配置如圖2所示。