基于FPGA的SDX总线与Wishbone总线接口设计

摘要 针对机载信息采集系统可靠性、数据管理高效性以及硬件成本的需求，介绍了基于硬件描述语言Verilog HDL设计的SDX总线与Wishbo ne总线接口转化的设计与实现，并通过Modelsim进行功能仿真，在QuartusⅡ软件平台上综合，最终在Altera公司的CycloneⅢ系列FPGA上调试。实验证明了设计的可行性。
关键词 Ver4log HDL；SDX总线；Wishbone总线；Modelsim；QuanusⅡ

    随着微电子设计技术与工艺的迅速发展，数字集成电路逐步发展到专用集成电路(ASIC)，其中超大规模、高速、低功耗的新型FPGA的出现，降低了产品的成本，提高了系统的可靠性。同时，各种电子产品的复杂度和现代化程度的要求也逐步提高，文中针对机载信息采集系统的可靠性、数据管理的高效性以及硬件成本的需求。设计实现了与Wishbone总线SDX总线的接口转化，完成了数据采集功能模块与SDX总线协议之间的数据传输。
    该设计主要采用硬件描述语言Verilog HDL在可编程逻辑器件FPGA上实现，由于数据采集功能模块繁多，而Wishbone总线可以与任何类型的ROM或RAM相连，因此需在SDX总线与数据采集模块中嵌入Wishbone总线，使得整体设计简单、灵活，且数据能够高效、快速的传输。

1 SDX总线协议
1．1 SDX总线结构
    SDX总线属于非平衡配置的点对点和多点链路，站点类型分为主站和从站，其数据传输方式为非平衡配置的指令／响应方式。与国际标准化组织ISO制定的开放系统互联模型OSI／RM相比，参考模型只分为3层：物理层、数据链路层和应用层，如图1所示。

1．2 字格式及其各位场的含义
    SDX总线采用面向消息的传输控制规程作为通信协议，选用曼彻斯特Ⅱ双相电平编码，总线最大传输速率20 Mbit·s-1，字长为20位。总线传输速率20 Mbit·s-1时，每字占1μs。规定每次传输一个消息的过程应包括指令字、数据字和状态字几个部分。每种字的字长为20位，有效信息位为16位，每个字的前3位为单字的同步字头，而最后一位是奇偶校验位。同步字头的作用是标识每个字的开始，起字同步作用。奇偶校验采用奇校验，在发送端对16位有效位补齐，而在接收端进行奇校，用于检验字传输中有无错误。需要指明的是：无论是何种字类型，各场的数据总是高位(MSB)传输在先。
    (1)指令字结构。
    指令字只能由主站发送，它的内容指明主站要与哪个从站对话，规定了该次数据传输的地址方向和服务类型。其格式如图2所示。

    方向和服务类型
    1～3位：同步字头(SYN)，前1．5位为101，后1．5位为000时标识指令字或状态字。
    4～13位：10 bit远程模块地址(RA[9：0])，全“0”时为广播地址，其余为各远程模块地址。
    14位：读写控制位R。该位为“1”时，表明主站要从被寻址的从站中读取数据；为“0”时，表明主站要从被寻址的从站中写入数据。
    15～18位：当RA[9：0]为非全“0”时，EP[3：0]有效。需要强调的是：当RA[9：0]为非全“0”，端点地址为全“0”时，该地址为从站的系统管理访问地址。
    19位：状态字指示位S，当该位为“0”时，表明有效字为指令字；当该位为“1”时，表明有效字为状态字。
    20位：奇偶校验位(P)，该字的奇偶校验位，奇校验有效。
    (2)数据字结构。
    数据字既可以由主站传送到从站，也可以由从站传送到主站。数据字的格式如图3所示。

    1～3位：前1．5位为101，后1．5位为111时标识数据字。
    4～19位：16 bit长数据(DATA[15：0])，高位(MSB)传输在先。
    20位：奇偶校验位(P)，该字的奇偶校验位，奇校验有效。
    (3)状态字结构。
     状态字只能由从站发出，是对主站发出的有效命令的应证性信号，是通信中进行差错控制和流量控制的重要手段。状态字格式如图4所示。

    1～3位：同步字头(SYN)，前1．5位为101，后1．5位为000时标识指令字或状态字。
    4～13位：10 bit从站的地址(RA[9：0])。
    14～18位：状态代码，表示响应模块的通信状态。
    19位：状态字识别位(S)，当有效字为状态字时，该位为“1”。
    20位：奇偶校验位(P)，该字的奇偶校验位，奇校验有效。

    注释1，只有满足下列判据才认为传输中不存在错误：(1)“字有效”，这是指都以有效的同步字头开始，并且除去同步字头之外其余的都是有效的双相码，有效信息是16位，奇偶校验位一位，且奇校验。(2)“消息有效”，这是指在一次传输中，如果存在一个数据块，那么在指令字与数据字之间，在数据字与数据字之间，消息是连续的，不存在任何“断裂”的情况。(3)“指令有效”，这是指在指令字和数据字各场中不存在非法数据，同时发出的数据块长度应与设置长度相等。如果以上3个判据中有任何一个得不到满足，则消息错误位置位。
    注释2，由于广播消息格式要求禁止从站发回状态字，为了解上一个广播指令是否已被从站有效接收，可使用专门的命令类型让某个从站发回状态字，如此位置成“1”，而且忙位置成“0”，即说明上一个指令的确是广播指令，已被该从站有效接收。

2 Wishbone总线协议
    Wishbone总线是一种内部总线协议。它可以将片内的各部分以及IP核等连接在一起，用来标准化各个独立部分的接口，以更加方便地架构SOC(Syctem-on-Chip)系统。其特点是结构简单、灵活，只需要少量的逻辑门即可实现，同时完全免费、公开。
    Wishbone总线规范中，使用Master／Slave结构实现灵活的系统设计，Master／Slave有4种互连方式，分别为点对点、数据流、共享总线和交叉互连。且Master和Slave之间使用握手协议，当准备好数据传输时，Master使STB_O有效，且一直保持到Slave的响应信号ACK_O，ERR_O，或RTY_O之一有效。Master在每个时钟的上升沿对响应信号采样，若该信号有效，则置低STB_O，如图5所示。

2．1 Wishbone总线基本传输周期
    Wishbone总线支持完整的普通数据传输协议，包括单个读写周期、块读写周期等。数据总线宽度为8～64位，地址总线宽度最高可达64位。Wishbone数据总线和地址总线分离，在传输上，保持一个地址、一个数据的传输结构。以下为Wishbone总线单次读、写时序图。图6为单次读周期时序，图7为单次写周期时序。

3 系统设计与实现
    系统所有控制逻辑均在Altera的CycloneⅢ系列FPGA(EP3C40F)上实现。FPGA的信号线只有系统时钟、串行输入数据，由于SDX总线中传输数据为曼彻斯特码型，因此需将曼彻斯特码解码为BCD码同时将串行输入数据转化为并行数据，将转化后标准的16位并行BCD码输入SDX模块对SDX协议响应，将需要数据读、写的消息响应同时产生数据读、写以及地址信号并发起Wishbone总线操作，实现在Wishbone总线上高效的数据传输。Wishbone总线主要使用点对点的互联方式，将Wishbone总线中Master模块中的输出信号直接连接到Slave模块，其优点是多个数据可以并行处理，从而提高系统的整体数据处理能力。系统的整体设计框图如图8所示。

4 仿真结果分析
    为验证设计系统的性能，使用Modelsim6．2仿真软件对系统功能进行了仿真测试。
    图9为Wishbone总线写操作，且为单字写传输，在时钟上升沿，Master将DAT_O、ADR_O信号放到数据、地址总线上，将CYC_O、STB_O、WE_O置高表示写传输开始，在下一个时钟沿到达之前，Slave检测到Master发起的操作，将ACK_O、ERR_O、RTY_O之一置高并传输到Master中，若Master检测到ACK_I为高时，在下一个时钟的上升沿将CYC_O、STB_O置低表示操作完成，若ERR_I为高，则表示该操作错误，取消此操作，进行下一步操作，若RTY_I表示Slave总线忙，则重试。

    图10为Wishbone总线读操作，且为单字读传输，在时钟上升沿，Master将ADR_O信号放到地址总线上，WE_O保持为低，同时将CYC_O、STB_O置高表示读传输开始，在下一时钟沿到达之前，Slave检测到Master发起的操作，将ACK_O、ERR_O、RTY_O之一置高并传输到Master中，同时将适当的数据传输到Master的DAT_I中，若Master检测到ACK_I为高时，在下一个时钟的上升沿将CYC_O、STB_O置低表示该次读操作完成，若ERR_I为高，则表示该操作错误，则取消此操作，进行下一操作，若RTY_I表示Slave总线忙，则重试。

5 结束语
    讨论了基于FPGA的SDX总线与Wishbone总线的接口转换，并介绍了不同总线的接口标准与时序，通过在Modelsim下的仿真，Quartus中综合，可下载到FPGA中进行调试，实现了系统的整体性能，从而保证了系统快速、高效的传输。