基于Verilog HDL的SDX總線與Wishbone總線接口轉(zhuǎn)化的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

隨著微電子設(shè)計(jì)技術(shù)與工藝的迅速發(fā)展，數(shù)字集成電路逐步發(fā)展到專用集成電路（ASIC），其中超大規(guī)模、高速、低功耗的新型FPGA的出現(xiàn)，降低了產(chǎn)品的成本，提高了系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)，各種電子產(chǎn)品的復(fù)雜度和現(xiàn)代化程度的要求也逐步提高，文中針對(duì)機(jī)載信息采集系統(tǒng)的可靠性、數(shù)據(jù)管理的高效性以及硬件成本的需求。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了與Wishbone總線SDX總線的接口轉(zhuǎn)化，完成了數(shù)據(jù)采集功能模塊與SDX總線協(xié)議之間的數(shù)據(jù)傳輸。

該設(shè)計(jì)主要采用硬件描述語(yǔ)言Verilog HDL在可編程邏輯器件FPGA上實(shí)現(xiàn)，由于數(shù)據(jù)采集功能模塊繁多，而Wishbone總線可以與任何類型的ROM或RAM相連，因此需在SDX總線與數(shù)據(jù)采集模塊中嵌入Wishbone總線，使得整體設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、靈活，且數(shù)據(jù)能夠高效、快速的傳輸。

　　1 SDX總線協(xié)議

1.1 SDX總線結(jié)構(gòu)

SDX總線屬于非平衡配置的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和多點(diǎn)鏈路，站點(diǎn)類型分為主站和從站，其數(shù)據(jù)傳輸方式為非平衡配置的指令/響應(yīng)方式。與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO制定的開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)模型OSI/RM相比，參考模型只分為3層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，如圖1所示。

圖1 SDX參考模型與OSI/RM的對(duì)應(yīng)關(guān)系

　　1.2 字格式及其各位場(chǎng)的含義

SDX總線采用面向消息的傳輸控制規(guī)程作為通信協(xié)議，選用曼徹斯特Ⅱ雙相電平編碼，總線最大傳輸速率20 Mbit·s-1,字長(zhǎng)為20位。總線傳輸速率20 Mbit·s-1時(shí)，每字占1μs.規(guī)定每次傳輸一個(gè)消息的過(guò)程應(yīng)包括指令字、數(shù)據(jù)字和狀態(tài)字幾個(gè)部分。每種字的字長(zhǎng)為20位，有效信息位為16位，每個(gè)字的前3位為單字的同步字頭，而最后一位是奇偶校驗(yàn)位。同步字頭的作用是標(biāo)識(shí)每個(gè)字的開(kāi)始，起字同步作用。奇偶校驗(yàn)采用奇校驗(yàn)，在發(fā)送端對(duì)16位有效位補(bǔ)齊，而在接收端進(jìn)行奇校，用于檢驗(yàn)字傳輸中有無(wú)錯(cuò)誤。需要指明的是：無(wú)論是何種字類型，各場(chǎng)的數(shù)據(jù)總是高位（MSB）傳輸在先。

（1）指令字結(jié)構(gòu)。
指令字只能由主站發(fā)送，它的內(nèi)容指明主站要與哪個(gè)從站對(duì)話，規(guī)定了該次數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡刂贩较蚝头?wù)類型。其格式如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡刂贩较蚝头?wù)類型格式

方向和服務(wù)類型
1~3位：同步字頭（SYN），前1.5位為101,后1.5位為000時(shí)標(biāo)識(shí)指令字或狀態(tài)字。
4~13位：10 bit遠(yuǎn)程模塊地址（RA[9:0]），全0時(shí)為廣播地址，其余為各遠(yuǎn)程模塊地址。
14位：讀寫(xiě)控制位R.該位為1時(shí)，表明主站要從被尋址的從站中讀取數(shù)據(jù)；為0時(shí)，表明主站要從被尋址的從站中寫(xiě)入數(shù)據(jù)。
15~18位：當(dāng)RA[9:0]為非全0時(shí)，EP[3:0]有效。需要強(qiáng)調(diào)的是：當(dāng)RA[9:0]為非全0,端點(diǎn)地址為全0時(shí)，該地址為從站的系統(tǒng)管理訪問(wèn)地址。
19位：狀態(tài)字指示位S,當(dāng)該位為0時(shí)，表明有效字為指令字；當(dāng)該位為1時(shí)，表明有效字為狀態(tài)字。
20位：奇偶校驗(yàn)位（P），該字的奇偶校驗(yàn)位，奇校驗(yàn)有效。

（2）數(shù)據(jù)字結(jié)構(gòu)。

數(shù)據(jù)字既可以由主站傳送到從站，也可以由從站傳送到主站。數(shù)據(jù)字的格式如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)字格式

1~3位：前1.5位為101,后1.5位為111時(shí)標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)字。
4~19位：16 bit長(zhǎng)數(shù)據(jù)（DATA[15:0]），高位（MSB）傳輸在先。
20位：奇偶校驗(yàn)位（P），該字的奇偶校驗(yàn)位，奇校驗(yàn)有效。

（3）狀態(tài)字結(jié)構(gòu)。

狀態(tài)字只能由從站發(fā)出，是對(duì)主站發(fā)出的有效命令的應(yīng)證性信號(hào)，是通信中進(jìn)行差錯(cuò)控制和流量控制的重要手段。狀態(tài)字格式如圖4所示。

圖4 狀態(tài)字格式
1~3位：同步字頭（SYN），前1.5位為101,后1.5位為000時(shí)標(biāo)識(shí)指令字或狀態(tài)字。

4~13位：10 bit從站的地址（RA[9:0]）。
14~18位：狀態(tài)代碼，表示響應(yīng)模塊的通信狀態(tài)。
19位：狀態(tài)字識(shí)別位（S），當(dāng)有效字為狀態(tài)字時(shí)，該位為1.
20位：奇偶校驗(yàn)位（P），該字的奇偶校驗(yàn)位，奇校驗(yàn)有效。

表1 狀態(tài)代碼描述

注釋1,只有滿足下列判據(jù)才認(rèn)為傳輸中不存在錯(cuò)誤：（1）字有效,這是指都以有效的同步字頭開(kāi)始，并且除去同步字頭之外其余的都是有效的雙相碼，有效信息是16位，奇偶校驗(yàn)位一位，且奇校驗(yàn)。（2）消息有效,這是指在一次傳輸中，如果存在一個(gè)數(shù)據(jù)塊，那么在指令字與數(shù)據(jù)字之間，在數(shù)據(jù)字與數(shù)據(jù)字之間，消息是連續(xù)的，不存在任何斷裂的情況。（3）指令有效,這是指在指令字和數(shù)據(jù)字各場(chǎng)中不存在非法數(shù)據(jù)，同時(shí)發(fā)出的數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度應(yīng)與設(shè)置長(zhǎng)度相等。如果以上3個(gè)判據(jù)中有任何一個(gè)得不到滿足，則消息錯(cuò)誤位置位。

注釋2,由于廣播消息格式要求禁止從站發(fā)回狀態(tài)字，為了解上一個(gè)廣播指令是否已被從站有效接收，可使用專門(mén)的命令類型讓某個(gè)從站發(fā)回狀態(tài)字，如此位置成1,而且忙位置成0,即說(shuō)明上一個(gè)指令的確是廣播指令，已被該從站有效接收。

　　2 Wishbone總線協(xié)議

Wishbone總線是一種內(nèi)部總線協(xié)議。它可以將片內(nèi)的各部分以及IP核等連接在一起，用來(lái)標(biāo)準(zhǔn)化各個(gè)獨(dú)立部分的接口，以更加方便地架構(gòu)SOC（Syctem-on-Chip）系統(tǒng)。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈活，只需要少量的邏輯門(mén)即可實(shí)現(xiàn)，同時(shí)完全免費(fèi)、公開(kāi)。

Wishbone總線規(guī)范中，使用Master/Slave結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)靈活的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，MaSTer/Slave有4種互連方式，分別為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、數(shù)據(jù)流、共享總線和交叉互連。且Master和Slave之間使用握手協(xié)議，當(dāng)準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，Master使STB_O有效，且一直保持到Slave的響應(yīng)信號(hào)ACK_O,ERR_O,或RTY_O之一有效。Master在每個(gè)時(shí)鐘的上升沿對(duì)響應(yīng)信號(hào)采樣，若該信號(hào)有效，則置低STB_O,如圖5所示。

圖5 握手時(shí)序

2.1 Wishbone總線基本傳輸周期

Wishbone總線支持完整的普通數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，包括單個(gè)讀寫(xiě)周期、塊讀寫(xiě)周期等。數(shù)據(jù)總線寬度為8~64位，地址總線寬度最高可達(dá)64位。Wishbone數(shù)據(jù)總線和地址總線分離，在傳輸上，保持一個(gè)地址、一個(gè)數(shù)據(jù)的傳輸結(jié)構(gòu)。以下為Wishbone總線單次讀、寫(xiě)時(shí)序圖。圖6為單次讀周期時(shí)序，圖7為單次寫(xiě)周期時(shí)序。

圖6 單次讀周期時(shí)序

圖7 單次寫(xiě)周期時(shí)序

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)所有控制邏輯均在Altera的CycloneⅢ系列FPGA（EP3C40F）上實(shí)現(xiàn)。FPGA的信號(hào)線只有系統(tǒng)時(shí)鐘、串行輸入數(shù)據(jù)，由于SDX總線中傳輸數(shù)據(jù)為曼徹斯特碼型，因此需將曼徹斯特碼解碼為BCD碼同時(shí)將串行輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為并行數(shù)據(jù)，將轉(zhuǎn)化后標(biāo)準(zhǔn)的16位并行BCD碼輸入SDX模塊對(duì)SDX協(xié)議響應(yīng)，將需要數(shù)據(jù)讀、寫(xiě)的消息響應(yīng)同時(shí)產(chǎn)生數(shù)據(jù)讀、寫(xiě)以及地址信號(hào)并發(fā)起Wishbone總線操作，實(shí)現(xiàn)在Wishbone總線上高效的數(shù)據(jù)傳輸。Wishbone總線主要使用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的互聯(lián)方式，將Wishbone總線中Master模塊中的輸出信號(hào)直接連接到Slave模塊，其優(yōu)點(diǎn)是多個(gè)數(shù)據(jù)可以并行處理，從而提高系統(tǒng)的整體數(shù)據(jù)處理能力。系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)框圖如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)框圖

　　4 仿真結(jié)果分析

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)系統(tǒng)的性能，使用Modelsim6.2仿真軟件對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行了仿真測(cè)試。

圖9為Wishbone總線寫(xiě)操作，且為單字寫(xiě)傳輸，在時(shí)鐘上升沿，Master將DAT_O、ADR_O信號(hào)放到數(shù)據(jù)、地址總線上，將CYC_O、STB_O、WE_O置高表示寫(xiě)傳輸開(kāi)始，在下一個(gè)時(shí)鐘沿到達(dá)之前，Slave檢測(cè)到Master發(fā)起的操作，將ACK_O、ERR_O、RTY_O之一置高并傳輸?shù)組aster中，若Master檢測(cè)到ACK_I為高時(shí)，在下一個(gè)時(shí)鐘的上升沿將CYC_O、STB_O置低表示操作完成，若ERR_I為高，則表示該操作錯(cuò)誤，取消此操作，進(jìn)行下一步操作，若RTY_I表示Slave總線忙，則重試。

圖9 Wishbone寫(xiě)操作仿真圖

圖10為Wishbone總線讀操作，且為單字讀傳輸，在時(shí)鐘上升沿，Master將ADR_O信號(hào)放到地址總線上，WE_O保持為低，同時(shí)將CYC_O、STB_O置高表示讀傳輸開(kāi)始，在下一時(shí)鐘沿到達(dá)之前，Slave檢測(cè)到Master發(fā)起的操作，將ACK_O、ERR_O、RTY_O之一置高并傳輸?shù)組aster中，同時(shí)將適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)傳輸?shù)組aster的DAT_I中，若Master檢測(cè)到ACK_I為高時(shí)，在下一個(gè)時(shí)鐘的上升沿將CYC_O、STB_O置低表示該次讀操作完成，若ERR_I為高，則表示該操作錯(cuò)誤，則取消此操作，進(jìn)行下一操作，若RTY_I表示Slave總線忙，則重試。

圖10 Wishbone讀操作時(shí)序圖

　　5 結(jié)束語(yǔ)

討論了基于FPGA的SDX總線與Wishbone總線的接口轉(zhuǎn)換，并介紹了不同總線的接口標(biāo)準(zhǔn)與時(shí)序，通過(guò)在Modelsim下的仿真，Quartus中綜合，可下載到FPGA中進(jìn)行調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的整體性能，從而保證了系統(tǒng)快速、高效的傳輸。