基于SOPC的自定义外设FIFO

摘要：以Altera公司的FPGA芯片EP2C20Q208C8为例，详细介绍了在QuartusII 7．2的环境下，用SOPC Builder构建Nios软核时，自定义FIFO接口元件的方法。通过将采集到的电压信号，在数码管上显示的实验，实现FIFO寄存器与Nios CPU之间的通信。
关键词：现场可编程门阵列FPGA；Nios；先进先出；可编程片上系统Builder

0 引言
    随着微电子技术和半导体工业的不断发展，数字技术已进入片上系统时代。从而又发展了SOPC(可编程片上系统)，SOPC是Altera 公司提供的片上可编程系统解决方案。Nios嵌入式处理器是Altera公司推出的软核CPU，提供给用户，并在Altera的FPGA上实现优化，用于 SOPC集成
并在FPGA上实现，提高了系统的灵活性和扩大范围。
    自定义外设是SOPC系统灵活性的重要体现，是SOPC系统中极其重要的一种设计方法。在大量的数据常需要处理时，利用自定义外设由具体的硬件来实现，可以极大程度地提高系统运行的速度，同时便于系统的模块化与集成化，是SOPC系统设计的重中之重。定制的用户外设能够以“硬件加速器”的形式实现各种各样用户要求的功能。

1 定制Avalon总线型FIFO接口元件
    由于选用的AD采样速率非常高，并且只由时钟控制端控制，因此设计时在AD采集模块和Nios CPU之间加一个FIFO存储器，从系统外部接口送来的数据先在FIFO中缓存，然后将数据读入SDRAM，在片上进行数据处理。整个流程在FPGA平台上采用SOPC方法实现。在SOPC Builder中只有厂商提供的片上FIFO接口控制器，没有外部使用的FIFO接口控制器核，因此需要用户自定义FIFO接口控制器，这样才能满足系统外围电路的应用要求。文中采用创建元件配置向导定制FIFO接口元件的方法。

2 用户自定义IP核的开发流程
    自定义外设作为NiosII软核处理器超强灵活性的体现，它的开发要遵循一定的规律。一个用户自定义外设必须用硬件描述语言来描述硬件的逻辑。用户自定义IP按照对Avalon总线操作的不同可分为Avalon Master、Avalon Slaver和Avalon Streaming外设。由于Avalon Master和Avalon Streaming外设的开发比Avalon Slave外设要复杂，所以用户开发的外设大部分为Avalon Slave外设，但是开发流程是一样的。典型的Avalon外设的开发步骤如下：
    (1)规划元件的硬件功能。若采用微控制器控制该元件，则规划访问该硬件的应用程序接口(API)；
    (2)在硬件和软件要求的基础上，定义一个恰当的接口(一般为Avalon Slave端口)；
    (3)使用硬件描述语言描述硬件逻辑。一个典型元件的硬件架构一般由接口模块、寄存器文件模块和行为模块3部分组成。接口模块作为顶层模块，定义总线接口信号；寄存器文件模块完成该元件与外部信号的通信，提供访问与控制元件的逻辑界面；行为模块实现元件的硬件功能。片上总线Avalon从端口的信号都不是必须的，一个典型的Avalon从端口所包含的信号如表1所示。


    (4)单独验证元件的硬件功能；
    (5)写用于描述寄存器的C头文件为软件定义硬件寄存器映像；
    (6)写元件的驱动软件；
    (7)把通过测试的源代码使用元件编辑器封装硬件HDL和软件文件，完成元件定制。
3 自定义FIFO接口的开发
3．1 硬件构建
3．1．1 接口模块的设计
    根据FIFO的功能需要，该模块所需的Avalon总线输入信号为clk、reset n、data、full、empty信号，而模块输出则为rdclk、rdreq、wrreq信号。该接口模块定义了总线接口信号，作为顶层模块。
    Avalon总线接口设计文件的端口说明部分如下：
   
3．1．2 寄存器文件模块
    寄存器文件模块实现与外部信号的通信，提供了访问与控制元件界面。在寄存器文件中，Avalon总线的地址信号有两位，00表示读取数据寄存器，O1表示读取状态寄存器，10表示写控制寄存器，address的11保留。在片选和读信号的控制下，分别读数据寄存器和状态寄存器。在片选和写信号的控制下，向控制寄存器写入数据。
3．1．3 行为模块
    行为模块实现元件的硬件功能，当写请求(wrreq)信号有效时，向数据寄存器中写入数据，当读请求(rdreq)信号有效时，读取数据寄存器中的数据。在QuartusⅡ7．2环境下，基于EP2C20Q240C8器件的FIFO接口的仿真波形如图1所示。


3．2 FIFO接口模块的添加
    在Quartus II工程中打开SOPC Builder，在SOPC Builder界面的左栏中点击Create new component打开创建元件向导，弹出Component Editor，在HDL Files选项卡中添加HDL文件(FIFO interface．vhd)，并将其设置为顶层模块。在Signals选项卡中出现FIFO interface中定义的信号。若出现红色字体表示错误，需要将其接口类型修改一下，如reset n被指定为clock类型，传输方向为input，数据宽度为1，read-data被指定为avalon_slave类型，传输方向为output，数据宽度为32，data被指定为export类型，传输方向为export，数据宽度为32，等等。修改完之后，FIFO的地址对齐方式选择动态地址对齐"Mermory(use dynamic bussizing)"。时序设置也很重要，设置不当会造成数据的错误传输。系统FIFO的读写时钟为50MHz，周期为20ns，设定建立时间为 1ns，将所有设置设置完之后进行保存。保存完之后在该工程目录下会出现FIFO_interface_hw．tcl文件，FIFO控制器接口就出现在左栏中，若想在其它工程中使用该控制器，最简单的方法是将FIFO_inter-face．vhd、FIFO interface hw．tcl在FIFO interface hw．tcl～放在一个文件夹里，并将此文件夹放在QuartusⅡ的安装目录的ip文件夹中。
3．3 Nios CPU模块
    搭建好SOPC框架之后，生成CPU原理图模块如图2所示。其中第二部分就是FIFO接口文件生成的模块图，包括输入信号(data、 empty、full)和输出信号(rdclk、rdreq、wrreq)。两个PIO接口con和seg，分别用作数码管的位选通和段选通。



4 软件设计
    软件设计包括寄存器头文件、驱动软件及测试程序的设计。寄存器头文件FIFO reg．h定义了对FIFO进行读写操作的宏。IORD和IOWR是硬件抽象层提供的两个访问寄存器的C语言宏。下面代码是对FIFO的数据寄存器、状态寄存器和控制寄存器进行读写操作的宏。
    驱动软件包括FIFO．h和FIFO．c文件。FIFO．h定义了驱动函数的原型和常量，FIFO．c则实现驱动函数的功能。FIFO．c中定义了一个函数，实现将采集到的数据在数码管上显示的功能。例如采集到电压值为5V电压时，数码管上显示5．00。

5 结束语
    本文通过介绍基于SOPC的自定义FIFO接口的详细过程，用户可以在SOPC设计环境下自定义任意接口控制器。定制元件是SOPC Builder灵活性的重要体现，大大扩展了NiosⅡ系统的应用范围。本设计采用VHDL语言编写SOPC用户自定义逻辑模块，实现FIFO接口控制器的设计，此模块已经成功地在FFGA上实现数据采集模块与Nios CPU之间的通信。通过创建元件配置向导定制FIFO接口元件的方法，对定制元件的设计具有较好的借鉴作用。