基于FPGA的Picoblaze核實(shí)現(xiàn)Modbus通信協(xié)議

摘要：給出了一種在Xinlinx的Spartan-3E評(píng)估板上實(shí)現(xiàn)Modbus通信協(xié)議的方法。該方法以PC為上位機(jī)，并在評(píng)估板上嵌入Picoblaze軟核作為下位機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)Modbus通信協(xié)議的功能。文中同時(shí)介紹了使用Xilinx ISE和Picoblaze軟核進(jìn)行開(kāi)發(fā)的方法。
關(guān)鍵詞：Modbus通信協(xié)議；Picoblaze核；FPGA；Spartan-3E評(píng)估板

0 引言
目前，從各大FPGA廠商公布的銷(xiāo)售數(shù)據(jù)來(lái)看，Xilinx的FPGA市場(chǎng)份額占到了近50％。Spartan-3E系列的器件密度范圍為10萬(wàn)到160萬(wàn)系統(tǒng)門(mén)，其單位邏輯單元的成本是FPGA行業(yè)中最低的，能夠以標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品價(jià)格實(shí)現(xiàn)微處理器、微控制器和數(shù)字信號(hào)處理器的功能，并可支持18種通用I／O標(biāo)準(zhǔn)，還可通過(guò)ISE來(lái)操作PicoBlaze軟核。Spartan-3E同時(shí)結(jié)合了強(qiáng)大的平臺(tái)FPGA功能和超低價(jià)位。因而可使更多的設(shè)計(jì)人員享受可編程能力所帶來(lái)的益處。

1 Picoblaze核結(jié)構(gòu)
本文采用Xilinx公司的Spartan-3E評(píng)估板及其PicoBlaze IP核來(lái)進(jìn)行基于Modbus通信協(xié)議的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)是以PC做為上位機(jī)，并在評(píng)估板上嵌入Picoblaze軟核作為下位機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)Modbus通信協(xié)議。PicoBlaze是Xilinx公司的一款8bit微控制器軟核，它非常之小?？梢郧度氲紺ool RunnerⅡ，Virtex-E，Virtex-II(Pro)和Spartan-3E的CPLD以及FPGA中。對(duì)于整個(gè)指令集，PicoBlaze執(zhí)行一條指令需要2個(gè)時(shí)鐘周期。
在對(duì)PicoBlaze進(jìn)行開(kāi)發(fā)時(shí)，首先需要將PicoBlaze認(rèn)識(shí)并執(zhí)行的程序經(jīng)過(guò)Assembler轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的HDL文件并存放在FPGA內(nèi)部的Block Memory中(因此，PicoBlaze執(zhí)行一條指令所需的時(shí)鐘周期是固定的)。然后，微控制器核心KCPSM3再?gòu)腂lock Memory里面讀取程序并按順序執(zhí)行。PicoBlaze的存儲(chǔ)空間為1024x18bit，也就是說(shuō)，它能夠存放1024條位長(zhǎng)為18的指令。而PicoBlaze支持的指令集也很精簡(jiǎn)(只有57條)，其中包含程序控制類(lèi)(跳轉(zhuǎn)，調(diào)用，返回)、算數(shù)類(lèi)(加，減，比較)、邏輯類(lèi)(與，或，異或)、中斷類(lèi)(中斷開(kāi)啟／關(guān)閉)，移位／旋轉(zhuǎn)類(lèi)(左移／右移，左旋／右旋)和輸入／輸出類(lèi)(輸入，輸出)。PicoBlaze核的結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

圖2是微控制器核心KCPSM3的結(jié)構(gòu)框架圖。KCPSM3中一共有16個(gè)長(zhǎng)度為8位的通用寄存器，每個(gè)寄存器都可以在匯編代碼中分別命名。其中，Scratch Pad Memory的大小為64 Bytes，作用相當(dāng)于一塊臨時(shí)存儲(chǔ)區(qū)。KCPSM3只支持1個(gè)中斷信號(hào)，但實(shí)際上可以將多個(gè)中斷信號(hào)用邏輯組合的方式變成一個(gè)來(lái)使用(會(huì)降低單中斷通道的性能)。