王羽
摘 要
文章分析并介紹了一種基于FPGA的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案與研制策略,整套方案能夠引入全新FPGA器件,對(duì)擴(kuò)大芯片內(nèi)邏輯密度有重要意義,同時(shí)由于系統(tǒng)內(nèi)置高速收發(fā)器、DSP處理片等功能,因此對(duì)實(shí)現(xiàn)邏輯設(shè)計(jì)、嵌入式開(kāi)發(fā)、仿真調(diào)試等功能有重要作用,對(duì)擴(kuò)大接口設(shè)計(jì)能力而言是非常重要的,有廣闊應(yīng)用前景。
【關(guān)鍵詞】計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口 FPGA 實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 設(shè)計(jì)
1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)
1.1 功能設(shè)計(jì)
整套計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在投入使用后首先需要滿(mǎn)足調(diào)試人員接口設(shè)計(jì)基本操作技巧的訓(xùn)練,熟練各種工具的使用以及HDL語(yǔ)言用法等,然后通過(guò)增加基于HDL邏輯、LCD顯示、RS232串行通信等通用接口設(shè)計(jì)的方式強(qiáng)化調(diào)試人員的階梯訓(xùn)練能力,最后綜合應(yīng)用上述多個(gè)模塊,由調(diào)試人員綜合應(yīng)用接口設(shè)計(jì)相關(guān)技術(shù)理念獨(dú)立完成接口設(shè)計(jì)方案,提高設(shè)計(jì)能力。具體而言,系統(tǒng)所需要滿(mǎn)足的實(shí)驗(yàn)功能應(yīng)當(dāng)包括:音頻接口設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計(jì)、USB外置接口設(shè)計(jì)、嵌入式主USB接口設(shè)計(jì)、顯示設(shè)計(jì)、輸出接口設(shè)計(jì)等在內(nèi)。
1.2 模塊設(shè)計(jì)
基于FPGA的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)板上主要配置系統(tǒng)時(shí)鐘、外部接口、配置電路、供電系統(tǒng)、以及主FPGA芯片器件這五個(gè)方面的功能模塊。其中,系統(tǒng)時(shí)鐘的主要功能是對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供時(shí)鐘源支持;外部接口主要功能是通過(guò)配置專(zhuān)用接口器件的方式實(shí)現(xiàn)與FPGA的可靠連接,構(gòu)成完整接口電路,并且支持與外部期間的交互式聯(lián)通;配置電路的主要功能是支持基于FPGA編程操作的實(shí)現(xiàn);供電系統(tǒng)的主要功能是面向整套計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)板上的所有電路提供電源支持;主FPGA芯片器件則是整套計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的模塊核心,可決定系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)情況?;贔PGA的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研制
2.1 主芯片
整套計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主芯片選型為XC6SLX45T,此類(lèi)FPGA芯片中共內(nèi)置4分BANK,各個(gè)BANK模塊所對(duì)應(yīng)IO通信接口可單獨(dú)供電,但要求同一BANK模塊內(nèi)部IO工作接口供電高度一致,且與外部接口期間供電要求應(yīng)當(dāng)匹配。1#、3#、4#BANK模塊IO接口電壓均設(shè)置為3.3V標(biāo)準(zhǔn)單位,2#BANK模塊IO接口電壓設(shè)計(jì)中考慮到該模塊需要與FMC擴(kuò)展接口進(jìn)行連接,因此按照3.3V以及2.5V標(biāo)準(zhǔn)備選。
2.2 配置電路
整套計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)共配置3條配置電路通道,第一是通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主機(jī)經(jīng)USB外置接口/Jtag進(jìn)行編程;第二是將配置文件下載并存儲(chǔ)于專(zhuān)用SPI Flash模塊中,然后上電自動(dòng)編程FPGA;第三是支持ACE的配置控制器電路,通過(guò)ACE配置控制器對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口實(shí)驗(yàn)平臺(tái)外部CF卡進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)對(duì)FPGA的配置與通信功能。上述可配置電路期間以菊鏈方式串接接入,具體方案如圖2所示。
2.3 系統(tǒng)接口
整套計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中涵蓋多種通用接口,包括USB外置接口、音頻接口、網(wǎng)絡(luò)接口、VGA接口等。其中,音頻接口以及VGA接口分別選用AK4520以及AD7125器件。其中,AK4520器件能夠支持三類(lèi)主頻模式,并兼具四類(lèi)串行數(shù)據(jù)流的模式功能,可實(shí)現(xiàn)雙聲道播放功能,可完全滿(mǎn)足計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的音頻功能需求;AD7125器件支持基于8位數(shù)據(jù)寬度的RGB顏色分量,像數(shù)點(diǎn)時(shí)鐘可達(dá)到240.0MHz級(jí)別,可以滿(mǎn)足是平臺(tái)高清顯示的功能需求。USB外置接口平臺(tái)設(shè)計(jì)中則保留原平臺(tái)所應(yīng)用的PDIUSBD12器件,發(fā)揮其體積小、功能多等優(yōu)勢(shì),支持整套計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)串行接口引擎,數(shù)據(jù)包發(fā)送、數(shù)據(jù)包接受、數(shù)據(jù)包終端等多項(xiàng)功能。FPGA器件在USB外置接口相關(guān)功能實(shí)現(xiàn)過(guò)程中主要負(fù)責(zé)對(duì)USB接口控制器進(jìn)行初始化處理的工作任務(wù),并且還需要對(duì)主機(jī)經(jīng)PDIUSBD12器件所發(fā)送數(shù)據(jù)包與指令作出回應(yīng)。網(wǎng)絡(luò)接口所選用器件為88E1111,該器件可支持千兆單位網(wǎng)絡(luò)傳輸,可滿(mǎn)足計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口實(shí)驗(yàn)平臺(tái)功能需求。
3 結(jié)束語(yǔ)
本文提出了一套基于FPGA的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案,對(duì)本方案的設(shè)計(jì)要點(diǎn)以及平臺(tái)研制問(wèn)題進(jìn)行了概括分析與總結(jié)。整套方案綜合性能確切,可滿(mǎn)足對(duì)調(diào)試人員的訓(xùn)練要求,且能夠提供容量更大、速度更快、硬軟件資源更為豐富的功能支持,對(duì)進(jìn)一步提高調(diào)試人員計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力也有重要意義。
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作者單位
江蘇自動(dòng)化研究所 江蘇省連云港市 222006