基于FPGA的多通道SSI通信控制器設計

采用VHDL硬件描述語言，以Xilinx公司的FPGA為設計平臺，設計實現(xiàn)了以開源軟核MC8051為核心的控制單元，控制4路SSI協(xié)議模塊的SoPC架構的通信控制器，并對通信控制器進行了功能仿真與驗證。該控制器可靈活進行IP核模塊擴展，并可作為外圍處理機與TI公司TMS320C6000系列DSP進行互連通信，將慢速串行通信任務進行分離，從而減輕DSP的負擔，提高系統(tǒng)的整體性能。

在嵌入式系統(tǒng)應用領域中，需要完成的任務越來越復雜，應用環(huán)境也越來越惡劣，要求嵌入式計算機在體積不斷減小的情況下，具有更強的處理功能和較低的功耗。本文采用FPGA[1]設計技術，利用VHDL硬件描述語言[2]，將4個同步串行接口協(xié)議SSI IP核[3]模塊組成一個功能可擴展的SoPC架構的從通信控制器，從而使主從控制器協(xié)同工作，保證了整個嵌入式系統(tǒng)在通信速度達到技術要求的前提下，能更有效地降低系統(tǒng)功耗與體積。

1 SoPC設計方法

可編程片上系統(tǒng)SoPC(System on Programmable Chip)(或稱基于大規(guī)模FPGA的單片系統(tǒng))是一種靈活、高效的SoC解決方案，將處理器、存儲器、I/O口等系統(tǒng)需要的功能模塊集成到一個PLD器件上，構成了一個可編程片上系統(tǒng)，具有靈活的設計方式(可裁減、可擴充、可升級)，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程功能。

圖1為典型的基于IP核庫的SoPC設計流程，主要是利用軟硬件協(xié)同方法完成整個系統(tǒng)設計。

2 通信控制器架構模塊組成

本文采用了一種全新的SoPC體系結構，整個嵌入式系統(tǒng)主要由主控制器和FPGA(從控制器)兩大功能單元組成，其結構如圖2所示。主控制器選用TI公司的TMS320C6713 DSP，虛框內的電路單元則為所設計的多通道同步通信控制器(也即從控制器)。通過TMS320C6713處理器芯片自帶的EMIF模塊與基于FPGA實現(xiàn)的多通道同步通信控制器進行數(shù)據交換?；贔PGA實現(xiàn)的從處理器內部選用MC8051 IP軟核來控制和管理4路SSI協(xié)議通信控制器，TMS320C6713與MC8051之間通過雙端口RAM共享數(shù)據和交換信息，整個系統(tǒng)采用中斷控制方式，實現(xiàn)主/從控制器協(xié)同處理任務。

由圖2可知，該SoPC架構控制器內部可劃分為4大模塊：從處理器MC8051 IP核、4路SSI協(xié)議通信控制器、雙端口RAM和中斷邏輯單元。下面分別對4個主要組成模塊進行介紹。

2.1 從處理器

為了提高同步通信控制器的自主性與靈活性，在FPGA內部嵌入一個微控制器80C51 IP核作為同步通信控制器的核心控制單元。MC8051 IP軟核的特點主要有：指令集與工業(yè)標準的8051控制器兼容；新的體系結構使單片機處理速度提高了10倍；無多路復用I/O端口，實行輸入和輸出接口完全隔離；256 B的內部RAM；最高可達64 KB的內部ROM和最高可達64 KB的外部RAM；容易調整或改變VHDL源代碼實現(xiàn)相關的核擴展功能；可通過VHDL常量進行參數(shù)化設置。

圖3是MC8051 IP核的內部功能結構圖。從圖中可以看到，該IP核包括的子模塊有：算術邏輯單元MC8051_ALU、串行接口單元MC8051_SIU、定時器/計數(shù)器單元MC8051_TMRCTR、核心控制單元MC8051_CONTROL、內部數(shù)據存儲單元MC8051_RAM、內部程序存儲單元MC8051_ROM和外部數(shù)據存儲單元MC8051_RAMX。其中，N表示MC8051_SIU和MC8051_TMRCTR兩個單元根據實際需要可靈活制定的個數(shù)，其范圍值為1～256，可在VHDL代碼中改變參數(shù)C_IMPL_N_TMR的值進行設置。

2.2 SSI協(xié)議控制器

同步串行接口SSI(Synchronous Serial Interface)[4]通信協(xié)議是同步串行通信協(xié)議的一種類型，該協(xié)議主要包含幀同步信號GATE、時鐘信號CLK和串行數(shù)據DATA三類信號，其時序關系如圖4所示。

在圖4中，幀同步信號GATE有方式1和方式2兩種可選擇方式協(xié)調控制時鐘信號CLK和串行數(shù)據DATA。方式1用虛曲線①表示，在該方式下，整個系統(tǒng)空閑時，GATE一直處于高電平狀態(tài)，當觸發(fā)一個瞬態(tài)低電平脈沖后，DATA在GATE信號的上升沿根據系統(tǒng)配置要求進行傳輸，同時GATE保持高電平。方式2用實曲線②表示，該方式下當系統(tǒng)空閑時，GATE一直處于低電平狀態(tài)，當觸發(fā)一個瞬態(tài)高電平脈沖后，DATA在GATE信號的下降沿進行傳輸，同時GATE保持低電平。在上述兩種方式中，DATA可在CLK的上升沿或者下降沿保持穩(wěn)定并進行采集。

SSI IP核接口信號圖如圖5所示。

本文中共定義了4路(A～D)相同結構的SSI IP核，MC8051通過中斷和查詢方式對4路通信協(xié)議控制器進行數(shù)據的收/發(fā)操作控制。

2.3 雙端口RAM

MC8051中的外部數(shù)據存儲器MC8051_XRAM存儲空間最高可達到64 KB，本設計用VHDL語言生成一個32 KB的外部數(shù)據擴展雙端口存儲器MC8051_XRAM，一端供MC8051 IP核操作，另一端供DSP操作，通過地址線譯碼，從而為MC8051_XRAM和4路SSI協(xié)議控制器提供cs_x和cs_a～cs_d等片選信號。輸入MC8051_XRAM模塊的地址線為addra(15:0)，實際使用到的地址線空間為addra(14:0)，支持32 KB尋址空間。

2.4 中斷邏輯單元

中斷邏輯單元的操作地址為FFD3H，當DSP向該地址進行寫操作時，中斷邏輯單元將向多通道同步通信控制器發(fā)出低有效的中斷信號；當多通道同步通信控制器中的MC8051向該地址進行寫操作時，中斷邏輯單元將清除中斷。該中斷邏輯單元的信號接口信息如表1所示。

選中A路通道對并行數(shù)據的發(fā)送進行仿真測試，其測試仿真如圖7所示。從圖可以看出，并行數(shù)據Data在MC8051工作時鐘Wr_clk和外部分頻時鐘Exclk作用下，通過設置A通道內的寄存器組合達到最終串行數(shù)據的發(fā)送。從而可以驗證，數(shù)據發(fā)送仿真功能正確。

選中B路通道對外圍串行數(shù)據的接收進行仿真測試，其測試仿真如圖8所示。從圖可以看出，串行數(shù)據Rxd在MC8051工作時鐘Clk和外部分頻時鐘Exclk作用下，通過配置B通道內的寄存器組合得到并行數(shù)據的接收。從而可以驗證，數(shù)據接收仿真功能正確。

本文以Xilinx公司的FPGA器件為設計平臺，采用VHDL硬件描述語言，設計了一種SoPC架構的從通信控制器，并對設計方案進行了仿真與驗證，得出了設計方案的正確性，并已成功用于某遙測數(shù)據工程實踐中，因其兼具較高的數(shù)據傳輸率、IP核的可移植性和靈活擴展性而容易推廣使用。