基于FPGA的三態(tài)總線設(shè)計(jì)

韓躍強(qiáng)

摘要：本文對(duì)MCU與FPGA組成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，并以ALTERAFPGA的結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，進(jìn)行了總線互連的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：可編程邏輯器件三態(tài)總線FPGA

引言

近年來，隨著可編程邏輯器件的迅速發(fā)展，越來越多的系統(tǒng)設(shè)計(jì)開始采用這種半定制的ASIC（專用集成電路）。PLD（可編程邏輯器件）及整套EDA（電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）工具的使用，為開發(fā)人員提供了自上而下設(shè)計(jì)系統(tǒng)的途徑。這種系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與電氣特性、便于系統(tǒng)的調(diào)試與維護(hù)、縮短設(shè)計(jì)周期以及降低成本。尤其是在數(shù)字系統(tǒng)的研制階段或中小批量生產(chǎn)中，上述優(yōu)點(diǎn)更為明顯。

1、FPGA可重構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

在高速系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面以及參數(shù)設(shè)置等非高速操作，往往使用具有良好接口功能的通用MCU（微控制器）來實(shí)現(xiàn)。因此，這種由MCU和FPGA（FieldProgrammableGateArray）構(gòu)成的系統(tǒng)使用更為廣泛。按照MCU與FPGA之間的相互關(guān)系以及在系統(tǒng)中所起的作用，主要可以分為兩類：MCU控制FPGA工作的系統(tǒng)和MCU協(xié)同F(xiàn)PGA工作的系統(tǒng)。

1.1MCU控制FPGA工作的系統(tǒng)

這類系統(tǒng)采用MCU作為系統(tǒng)的主要控制器件，在FPGA中實(shí)現(xiàn)控制器的外設(shè)電路功能。實(shí)質(zhì)上，這是傳統(tǒng)MCU控制系統(tǒng)的繼承發(fā)展，它把各個(gè)分立的外部設(shè)備與接口，根據(jù)系統(tǒng)需要，在FPGA中定制實(shí)現(xiàn)。比如在FPGA中實(shí)現(xiàn)SRAM（靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器）、鍵盤與顯示接口以及總線的擴(kuò)展等應(yīng)用。

由于主要控制任務(wù)在MCU上實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)邏輯實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)在編制MCU程序上，而FPGA則更多的使用IP（IntellectualProperty）核實(shí)現(xiàn)基本功能模塊。因此，在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，軟件開發(fā)所占比重較大。

1.2MCU協(xié)同F(xiàn)PGA工作的系統(tǒng)

這類系統(tǒng)通常以可編程邏輯器件為核心，在其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)面向應(yīng)用的邏輯功能，而MCU則占據(jù)次要地位。應(yīng)該說，這類系統(tǒng)充分利用了可編程邏輯器件和MCU的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。它主要應(yīng)用在面向應(yīng)用、并行處理以及高速等環(huán)境中。例如，使用高密度的FPGA進(jìn)行高速的多路A/D采樣，經(jīng)內(nèi)部處理模塊處理后，并行輸出結(jié)果，整個(gè)過程的時(shí)序控制在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)；而MCU只負(fù)責(zé)對(duì)FPGA各功能模塊的參數(shù)裝載，發(fā)送啟動(dòng)命令以及監(jiān)控FPGA工作狀態(tài)等任務(wù)。這類系統(tǒng)的開發(fā)重點(diǎn)主要在FPGA邏輯功能的硬件實(shí)現(xiàn)上，而MCU的控制軟件就比較簡(jiǎn)單了。

在實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)的特點(diǎn)并不像以上兩種類型這么明顯，普遍存在的是兼具以上特點(diǎn)的系統(tǒng)，只是所占比重不同而已。

2、MCU結(jié)合可編程邏輯器件系統(tǒng)的互連接口

MCU與可編程邏輯器件互連，有直接連接和總線連接兩種方式。直接連接只需把MCU與FPGA的I/O引腳相連即可。而總線連接可分為單向總線和雙向總線兩種類型。對(duì)于單向總線，實(shí)質(zhì)上是一組以直接方式互連的I/O。而實(shí)現(xiàn)雙向總線，就需要使用可編程邏輯器件的雙向口構(gòu)造三態(tài)總線了。

三態(tài)總線的實(shí)現(xiàn)，需要使用三態(tài)緩沖器，實(shí)現(xiàn)高、低電平和高阻三個(gè)狀態(tài)。在FPGA上可有內(nèi)部和外部?jī)煞N三態(tài)總線的實(shí)現(xiàn)方式。

內(nèi)部三態(tài)總線是在器件內(nèi)部的各邏輯部分之間互連的總線。由于不同廠商采用不同的技術(shù)，因此內(nèi)部三態(tài)主要有兩種方法實(shí)現(xiàn)。一種是使用三態(tài)門實(shí)現(xiàn)真實(shí)的三態(tài)總線，這需要器件內(nèi)部具有三態(tài)邏輯支持。比如XILINX公司的FPGA產(chǎn)品，在其內(nèi)部CLB（可編程邏輯塊）中，有三態(tài)緩沖器。另一種是把三態(tài)邏輯轉(zhuǎn)化為MUX（多路選擇器）實(shí)現(xiàn)，這樣內(nèi)部邏輯不需要三態(tài)門的支持。這種器件以ALTERA公司的FPGA為代表。雖然這一方法是模擬三態(tài)邏輯，但是具有降低成本和消除信號(hào)競(jìng)爭(zhēng)的特點(diǎn)。

外部三態(tài)總線是器件在端口上實(shí)現(xiàn)的，用來與其它芯片互連，這對(duì)于大量的系統(tǒng)設(shè)計(jì)是必須的。因此，所有的可編程邏輯器件都在I/O端口上實(shí)現(xiàn)了真實(shí)的三態(tài)緩沖。同時(shí)，由于大量雙向總線的存在，所以三態(tài)總線往往與雙向端口聯(lián)系在一起，形成雙向的三態(tài)總線。

在含F(xiàn)PGA的MCU系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA通過外部三態(tài)總線與MCU的總線端口互連。而且，一片F(xiàn)PGA通常實(shí)現(xiàn)多個(gè)功能模塊，所以內(nèi)部三態(tài)總線是外部系統(tǒng)總線在FPGA器件內(nèi)部的延伸。因此，外部和內(nèi)部的三態(tài)總線共同構(gòu)成了連接MCU與FPGA的系統(tǒng)總線。本文以ALTERA公司的CYCLONE系列器件為例，來闡述雙向三態(tài)總線的設(shè)計(jì)方法。

ALTERA公司的ACEX1K系列器件是2003年推出的面向低成本、高容量以及低功耗等網(wǎng)絡(luò)通信及控制應(yīng)用的中密度可編程器件。它依然采用了ALTERA傳統(tǒng)的LUT（查找表）結(jié)合EAB（嵌入式陣列塊）結(jié)構(gòu)，因此內(nèi)部沒有三態(tài)緩沖器，而是采用MUX模擬三態(tài)邏輯。這一轉(zhuǎn)換過程，由QuartusII軟件在編譯時(shí)自動(dòng)完成。

在器件的I/O端口，每個(gè)IOE（輸入輸出元件）都包含一個(gè)I/O緩沖，以及一個(gè)既可做輸入又可做輸出的寄存器。由圖1可見，在I/O引腳上實(shí)現(xiàn)了三態(tài)緩沖結(jié)構(gòu)。當(dāng)引腳作雙向口使用時(shí)，IOE中的寄存器作為輸出數(shù)據(jù)寄存器連接到三態(tài)門的輸入端。輸入數(shù)據(jù)和輸出允許寄存器分別使用相鄰LE（邏輯單元，是LAB的組成元素）中的寄存器，即雙向三態(tài)的實(shí)現(xiàn)既使用了IOE，有使用了內(nèi)部邏輯資源。

3、基于ALTERA可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)三態(tài)總線的方法

3.1內(nèi)部三態(tài)總線的實(shí)現(xiàn)

內(nèi)部三態(tài)總線是外部三態(tài)總線在FPGA器件內(nèi)部的延伸，用來連接可編程邏輯器件片內(nèi)的各功能模塊。

ALTERACYCLONE器件使用MUX代替內(nèi)部三態(tài)總線。使用ALTERA公司的集成編譯環(huán)境QuartusII，在圖形輸入和AHDL語言輸入方式下，可以自動(dòng)進(jìn)行這種轉(zhuǎn)換。例如，下面是采用圖形方式輸入的內(nèi)部三態(tài)邏輯（如圖2），（a）、（b）兩種情況為三態(tài)門驅(qū)動(dòng)輸出引腳和三態(tài)門驅(qū)動(dòng)內(nèi)部邏輯。

QuartusII將自動(dòng)進(jìn)行MUX轉(zhuǎn)換（如圖3），分別對(duì)應(yīng)有無輸出引腳。并且一個(gè)三態(tài)門只能驅(qū)動(dòng)一個(gè)引腳，這是由器件的硬件結(jié)構(gòu)決定的?？梢娙龖B(tài)門只能在I/O引腳上實(shí)現(xiàn)。

3.2外部三態(tài)總線的實(shí)現(xiàn)

3.2.1與其它芯片相連的外部三態(tài)總線

MCU與FPGA采用總線方式互連，在MCU端有現(xiàn)成的總線接口，而在FPGA端，需要自行設(shè)計(jì)總線端口，即外部總線的實(shí)現(xiàn)就是總線端口的設(shè)計(jì)。此外，總線通常連接多個(gè)設(shè)備，因此需要實(shí)現(xiàn)雙向三態(tài)總線。在ALTERA的FPGA中實(shí)現(xiàn)雙向三態(tài)端口，QuartusII既支持語言方式輸入，又支持圖形方式輸入，分別討論如下。

（1）雙向三態(tài)總線的VHDL語言描述。

下面一段VHDL代碼描述了一個(gè)雙向三態(tài)總線的端口。

這段程序可以作為FPGA器件的對(duì)外端口邏輯模塊。ext_data作為器件對(duì)外部的雙向口，它的輸出實(shí)現(xiàn)了三態(tài)，而它的輸入，只要按正確時(shí)序讀取外部信號(hào)，是不需要實(shí)現(xiàn)三態(tài)的。輸入口in_data和輸出口out_data是對(duì)FPGA內(nèi)部的接口，這是由于內(nèi)部邏輯不必實(shí)現(xiàn)雙向，所以是輸入和輸出分開的。這一點(diǎn)在后面的圖形表示中將更加直觀。

（2）雙向三態(tài)總線的圖形描述。

依然以上述模塊為例，采用QuartusII的圖形方式輸入，利用參數(shù)化模塊庫(kù)（LPM）實(shí)現(xiàn)（如圖4）。這種方法尤為清晰簡(jiǎn)便。

圖中out_data為模塊輸出，實(shí)際對(duì)應(yīng)FPGA的輸入功能，所以與其相連的三態(tài)門保持常通狀態(tài)以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部連接。這也是由于三態(tài)門不能直接驅(qū)動(dòng)內(nèi)部邏輯決定的。

3.2.2用外部雙向三態(tài)總線實(shí)現(xiàn)內(nèi)部邏輯塊的互連

雖然ALTERA器件不支持內(nèi)部三態(tài)，但是通過上面的圖形描述，啟發(fā)我們通過引腳上的三態(tài)門實(shí)現(xiàn)器件內(nèi)部邏輯塊之間的雙向三態(tài)總線互連，當(dāng)然，也可以使用MUX技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

圖5為需要實(shí)現(xiàn)的內(nèi)部邏輯互連，但是這種情況在ALTERA的FPGA上無法實(shí)現(xiàn)，需要轉(zhuǎn)換成MUX。而通過使用兩組雙向引腳，利用I/O口上的三態(tài)門轉(zhuǎn)化為外部總線，就可以實(shí)現(xiàn)了（如圖6）。需要注意的是，圖6中引腳間的互連需在PCB（PrintedCircuitBoard）板上實(shí)現(xiàn)，這里所用的BIDIRC端口只是對(duì)連接進(jìn)行了表示，在FPGA器件內(nèi)部不能實(shí)現(xiàn)。

這種使用I/O端口實(shí)現(xiàn)的內(nèi)部總線可以連接內(nèi)部各個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)雙向三態(tài)連接，但是是以占用I/O端口資源為代價(jià)的，所以如無特別要求，對(duì)內(nèi)部三態(tài)總線應(yīng)采用MUX邏輯實(shí)現(xiàn)。而對(duì)于如與MCU連接的外部雙向三態(tài)端口，可直接使用圖4所示方法實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)PGA對(duì)外的輸出實(shí)現(xiàn)三態(tài)控制，而輸入不需三態(tài)控制，由內(nèi)部邏輯保證輸入正確性。

4、結(jié)束語

MCU與FPGA相結(jié)合的系統(tǒng)，由于其可重構(gòu)、靈活的優(yōu)點(diǎn)，十分適合工控系統(tǒng)的應(yīng)用。而總線式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是這一系統(tǒng)的主要特點(diǎn)之一，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)邏輯功能的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

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