基于SOPC的数据发生系统设计

摘 要：提出一种基于SOPC的数据发生系统及其PCI接口的设计方案，详细介绍了系统主要模块的硬件设计方法，实现SOPC系统中定制用户自定义主从外设及其通过相应的主从端口与Avalon。总线的连接，并在EDA工具QuartusⅡ和ModelSim平台上用硬件描述语言VHDL语言对该方案中的基本模块，如数据产生，乒乓结构和PCI9054接口逻辑进行了逻辑综合及功能仿真。可以在本系统的基础上，通过软件的完善，实现复杂的非常规类型数据的产生，提高了系统的适应性和灵活性，有利于参数的修改和系统升级。
关键词：SOPC；Avalon总线；乒乓结构；PCI9054

0 引 言
可编程片上系统(SOPC)是一种特殊的嵌入式系统，因为SOPC是片上系统(SoC)，即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；SOPC是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减，可扩充，可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能；SOPC结合了SoC和FPGA的优点，涵盖了嵌入式系统设计技术的全部内容；SOPC涉及目前已引起普遍关注的软硬件协同设计技术。
现以数据发生系统为例，介绍采用SOPC技术，以硬件描述语言为主要手段，产生伪随机序列的设计方案。研究了伪随机序列的产生，两片SRAM乒乓结构存储以及通过PCI9054芯片与PC机之间数据传递等模块的硬件实现问题。

1 基本原理和系统的整体结构
本系统的主要模块框图如图1所示，SOPC系统采用Altera的CycloneⅡ系列的芯片。系统包括NiosⅡ软核处理器，扩展的程序存储器FLASH，数据存储器SRAM，以及用户自定义逻辑如PCI9054接口逻辑模块、数据产生模块、乒乓结构模块等，并通过Avalon总线连接起来。数据产生模块产生伪随机序列，该数据存储到两片片外扩展的SRAM中，PCI9054接口逻辑将数据从SRAM中读出后通过PCI9054接口芯片传输到PC机中，其中SRAM中数据的写入和读出是通过乒乓结构模块控制的。

由于PCI总线协议比较复杂，该系统采用PCI接口专用芯片PCI9054，用于PCI总线的控制。为了实现数据的高速传输，采用了DMA传输模式。在该模式中，PCI9054既是PCI总线的控制器又是本地总线的控制器，所以其与FPGA之间的接口逻辑模块设置为AvaIon主外设，控制SRAM的读操作。
FPGA的片上资源很宝贵，所以数据的存储采用了片外扩展SRAM。由于数据为16 b，而且为实现数据的高速传输，采用了两片256K x 16 b的SRAM(IDT71V416)构成乒乓结构，以用作系统的数据存储器。为保证整个系统高速运行以及以后升级的需要，选用了存取时间为10 ns的IDT71V416。

2 系统主要硬件设计
2.1 数据产生模块
该模块的逻辑功能由VHDL语言设计实现，可以通过修改该模块的设计产生所需要的数据，本系统产生的数据为伪随机序列。模块的逻辑功能是：先产生8 b的伪随机数，再将所产生的数据通过D触发器组合成16 b的数据。该系统采用了非线性反馈的移位寄存器，即全状态移位计数器来产生所需要的伪随机数。这种计数器利用了移位寄存器的所有状态，能够自启动，不需要额外输入。这种伪随机序列发生器，可大大简化结构，提高可靠性，易于实现。
全状态移位计数器的状态变化规律有两个特点：状态的最高位由反馈函数确定；余下的各位由原态移位得到。该系统采用的反馈函数为：

式中：Qi(i＝1，…，8)为电路的现态。
2.2 乒乓结构模块
2.2.1 乒乓结构的硬件实现
为了提高系统的传输速率，两片SRAM构成了乒乓缓存结构，即在一片执行写操作的同时，另一片在执行读操作。乒乓结构模块的原理如图2所示，P1口与数据产生模块相连接，仅具有写入功能，P2口设计为Avalon从端口，与Avalon总线相连仅具有读出功能。

对于数据产生模块而言，由于仅具有并行数据的输出，没有地址和控制信号端口，故它无法直接对SRAM进行写操作，因而要求乒乓结构模块有地址产生功能。P1口的CLK作为计数器的脉冲源，计数器的输出作为SRAM的地址。DBl连接数据产生模块的输出端。CBl为控制信号，因为P1口只有写入功能，所以其we_n恒接低，oe_n恒接高。
P2口为只有读出功能的Avalon从端口，所以AB2为从端口的地址线address；DB2为数据线readdata；CB2中的we_n为读信号线read，oe_n恒接低。由于两片SRAM始终处于工作状态，所以相应的片选信号chip_select_n恒接低。
两片SRAM在P1口和P2口之间的切换的控制信号即chipselect，由计数器产生。当计数值小于262 144时，chipselect接低，SR1与P1口相接，SR2与P2口相接；当计数值在262 144～524 288之间时，chipselecl接高，SR1与P2口相接，SR2与P1口相接。当计数值到达524 288时，计数器清零。
2.2.2 Avalon从外设的端口信号设计
系统中，数据产生模块与乒乓结构模块结合为一个模块，通过P2口挂在Avalon总线上。该模块的信号列表如图3所示。其中，avalon_slave_O接口类型的信号与Avalon总线相连接，而conduit_end接口类型的信号与SRAM相连接。图3中的Avalon从端口即为P2口，采用了流水线读传输的模式，这种模式能在前一次传输返回readdata前开始一次新的传输，增加了带宽。

2.2.3 动态地址对齐及其时许设计
Avalon总线模块能够适应主从外设的不同宽度和不匹配的数据宽度。当系统中村子不匹配的存储口时，要考虑地址对齐问题。对于存储器类型的外设，采用动态地址对齐方式。IDT71V416型SRAM是静态RAM，属于存储器型外设，所以该Aalon从端口采用动态地址对齐方式，如图4所示。选用动态地址对齐方式，使得主端口能连续地对从外设进行读写，并使系统将外设认作存储器型外设。

根据IDT71V416型SRAM手册中读写时序的各时间参数值设定set up，read wait，write wait及holdtime的时间均为10 ns，使该端口既符合Avalon总线读写时序的要求，又符合IDT71V416型SRAM的读写时序的要求，如图5所示。

数据产生，乒乓结构和两片SRAM三部分的组合在ModelSim中的仿真结果如图6所示。avalon_ad－dress_b不变时是在执行第一次写操作，此时没有数据读出，所以avalon_readdata_b值为高阻；avalon_ad-dress_b开始变化时，表示一片SRAM已经写满，正在执行该片的读操作，而另一片在执行写操作，avalon_readdata_b为系统生成的数据。

2.3 PCI9054接口逻辑模块
PCI总线作为PC机与外部设备之间重要的连接总线，具有数据传输稳定灵活，传输速度快，即插即用和良好的扩展性等特点，被广泛地用在各种与PC机互联的设备中。该系统采用的PCI9054芯片口可以将复杂的PCI总线接口转换为相对简单的用户接口，大大缩短了设计周期。
2.3.1 本地总线状态机设计
由于PCI9054的DMA传输方式只适宜于做单次传输，故该系统采用了DMA结合中断的方式传输数据。由于数据的存储采用了乒乓结构，可以在一片SRAM执行DMA传输的同时执行另一片写操作，这样不会造成数据丢失，状态也比较容易控制。
系统复位后，数据产生模块开始产生伪随机序列，产生的数据直接存入SRAM中。此时，计数器同步计数，当计数值每一次达到262 144时，也就是一片SRAM已经存满时，SOPC系统就会触发PCI9054中断请求信号LINT#，CPU响应中断，发出读命令、要读取的字节数、地址信号等。PCI9054：先通过LHOLD申请本地总线的控制权，SOPC系统通过LHOLDA响应，使PCI9054．获得本地总线的控制权。PCI9054将PCI地址空间映射到本地地址空间，接着启动本地总线的DMA传输。
该系统采用VHDL语言，实现了DMA读传输本地端的时序控制状态机设计。状态0为空闲状态(i-dle)，若LHOLD信号被置1，则转到状态1，否则留在状态0。状态1为总线保持状态(hold)，在此状态下应将LHOLDA信号置l。如果信号ADs为O且LW_R为0，则转到状态2。状态2为DMA读状态(DMA_read)，在此状态下应将READY信号和模块内部信号avaIon_read置l，从而使AvaIon主端口的master_read置1，表示Avalon主外设发起读传输。如果BLAST为1，则表明此次DMA读取还没有完成，继续留在状态2；如果BLAsT为0，则表明此次DMA读取完成，转到状态3。状态3为DMA读操作完成状态(end cycle)，当LHOLD被置0时，表示PCI9054不再请求本地总线，则转到状态0；当BLAST为0且LHOLD为1时，则表明PCI9054还要进行DMA读操作，则转到状态1继续。其中的DMA读操作的时序逻辑的ModelSim仿真结果如图7所示。

2.3.2 Avalon主外设的端口信号设计
该系统中，PCI9054控制数据从本地总线上读出，先到PCI9054的FIFO中，再将FIFO中的数据传输到PCI总线上。因此SOPC系统中的PCI9054接口逻辑模块为Avalon主外设，主端口通过address，read，wait-request等信号发起Avalon总线上的读操作，从而控制Avalon从外设即乒乓结构模块的读操作。
由于本系统定制的从外设采用了流水线读的传输模式，为了使端口传输模式匹配，主外设也采用流水线读的传输模式。流水线主端口一个必须的信号为readdatavalid，Avalon交换结构向主端口发出readdat－avalid，以表示readdata信号正在提供有效的数据。
本系统定制的Avalon主外设构成模块主要由5部分构成，其中Read Master Logic提供了符合Aval－on接口规范的主端口信号；Control Logic是ReadMaster Logic与PCI9054 Local Bus Logic控制信号和状态信号转换的桥梁；FIFO是数据由Read MasterLogic向PCI9054传输的缓冲区。这三部分通过主端口流水线读传输时序逻辑联系在一起，提供了Avalon主外设的主端口接口界面。PCI9054 Local Bus Logic即VHDL语言设计的本地总线状态机，它将PCI9054本地端的信号通过状态机逻辑转换为与Control Logic和FIFO相对应的信号；Clock/Reset提供了主外设的clk和reset信号。
利用SOPC Builder中的new cormponent edit设计PCI9054接口逻辑模块的接口。在new component ed－it的signal中设置模块的各信号线以及相应的总线型号类型；在interface中设置各信号线对应的端口类型及其相应的参数。图8为Avalon主端口的参数设置。

2.4 系统中各中断的实现
在SOPC系统中，当没有进行传输时，Avalon交换结构忽略来自主端口所有与传输相关的输出信号，并且主端口也忽略来自Avalon交换结构所有与传输相关的输入信号。但是Avalon总线接口提供控制信号来实现中断请求等功能，这些信号不直接与数据传输相关。Avalon中断请求信号允许从端口发出一个IRQ，表明它需要主外设来服务。系统中，PCI9054采用了DMA加中断的方式来传输数据，而且DMA传输中的主控制器PCI9054芯片也要通过中断信号LINT#来触发，所以中断的实现是本系统功能实现的关键。
系统从端口的中断原理在于系统复位之后，数据产生模块开始自动产生伪随机序列，并自动将数据存入SRAM中，当一片SRAM存满之后，从端口的irq信号被设置。这个irq信号的时序必须与相关时钟的上升沿同步，其相关地址端口的名字必须是本模块中Aval－on从端口的名字。系统中从端口中断的具体设置如图9所示。

系统主端口的中断原理：在于主端口的irq检测到从端口有中断发出，通过置为有效来响应这个中断，并同时用该信号触发PCI9054的LINT#信号。PCI9054获得本地总线的控制权，并启动DMA传输，向SOPC：系统中的主外设即PCI9054接口逻辑模块发送地址和传输的字节长度，开始DMA传输。当字节长度减为O，另一片SRAM存满时，再次触发PCI9054的LINT#信号，使得PCI9054启动下一次DMA传输。主端口中断的设置如图10所示。

3 结 语
图10 主端口中断设置详细介绍了基于SOPC设计的数据发生系统中PCI接口的开发过程。对其中的关键技术，如设计添加在SOPC系统中的用户自定义主外设和从外设；PCI9054本地总线状态机的设计，乒乓结构的存储模块的设计，以及系统中各中断的实现等主要部分做了分析和研究，给出了基于SOPC的硬件实现方案。系统的主要部分由VHDL语言设计实现，有利于参数修改和系统升级。