摘 要：提出一種基于SOPC的數據發生系統及其PCI接口的設計方案，詳細介紹了系統主要模塊的硬件設計方法，實現SOPC系統中定制用戶自定義主從外設及其通過相應的主從端口與Avalon。總線的連接，并在EDA工具QuartusⅡ和ModelSim平臺上用硬件描述語言VHDL語言對該方案中的基本模塊，如數據產生，乒乓結構和PCI9054接口邏輯進行了邏輯綜合及功能仿真。可以在本系統的基礎上，通過軟件的完善，實現復雜的非常規類型數據的產生，提高了系統的適應性和靈活性，有利于參數的修改和系統升級。
關鍵詞：SOPC；Avalon總線；乒乓結構；PCI9054
0 引 言
可編程片上系統(SOPC)是一種特殊的嵌入式系統，因為SOPC是片上系統(SoC)，即由單個芯片完成整個系統的主要邏輯功能；SOPC是可編程系統，具有靈活的設計方式，可裁減，可擴充，可升級，并具備軟硬件在系統可編程的功能；SOPC結合了SoC和FPGA的優點，涵蓋了嵌入式系統設計技術的全部內容；SOPC涉及目前已引起普遍關注的軟硬件協同設計技術。
現以數據發生系統為例，介紹采用SOPC技術，以硬件描述語言為主要手段，產生偽隨機序列的設計方案。研究了偽隨機序列的產生，兩片SRAM乒乓結構存儲以及通過PCI9054芯片與PC機之間數據傳遞等模塊的硬件實現問題。
1 基本原理和系統的整體結構
本系統的主要模塊框圖如圖1所示，SOPC系統采用Altera的CycloneⅡ系列的芯片。系統包括NiosⅡ軟核處理器，擴展的程序存儲器FLASH，數據存儲器SRAM，以及用戶自定義邏輯如PCI9054接口邏輯模塊、數據產生模塊、乒乓結構模塊等，并通過Avalon總線連接起來。數據產生模塊產生偽隨機序列，該數據存儲到兩片片外擴展的SRAM中，PCI9054接口邏輯將數據從SRAM中讀出后通過PCI9054接口芯片傳輸到PC機中，其中SRAM中數據的寫入和讀出是通過乒乓結構模塊控制的。
由于PCI總線協議比較復雜，該系統采用PCI接口專用芯片PCI9054，用于PCI總線的控制。為了實現數據的高速傳輸，采用了DMA傳輸模式。在該模式中，PCI9054既是PCI總線的控制器又是本地總線的控制器，所以其與FPGA之間的接口邏輯模塊設置為AvaIon主外設，控制SRAM的讀操作。
FPGA的片上資源很寶貴，所以數據的存儲采用了片外擴展SRAM。由于數據為16 b，而且為實現數據的高速傳輸，采用了兩片256K x 16 b的SRAM(IDT71V416)構成乒乓結構，以用作系統的數據存儲器。為保證整個系統高速運行以及以后升級的需要，選用了存取時間為10 ns的IDT71V416。
2 系統主要硬件設計
2.1 數據產生模塊
該模塊的邏輯功能由VHDL語言設計實現，可以通過修改該模塊的設計產生所需要的數據，本系統產生的數據為偽隨機序列。模塊的邏輯功能是：先產生8 b的偽隨機數，再將所產生的數據通過D觸發器組合成16 b的數據。該系統采用了非線性反饋的移位寄存器，即全狀態移位計數器來產生所需要的偽隨機數。這種計數器利用了移位寄存器的所有狀態，能夠自啟動，不需要額外輸入。這種偽隨機序列發生器，可大大簡化結構，提高可靠性，易于實現。
全狀態移位計數器的狀態變化規律有兩個特點：狀態的最高位由反饋函數確定；余下的各位由原態移位得到。該系統采用的反饋函數為：
式中：Qi(i＝1，…，8)為電路的現態。
2.2 乒乓結構模塊
2.2.1 乒乓結構的硬件實現
為了提高系統的傳輸速率，兩片SRAM構成了乒乓緩存結構，即在一片執行寫操作的同時，另一片在執行讀操作。乒乓結構模塊的原理如圖2所示，P1口與數據產生模塊相連接，僅具有寫入功能，P2口設計為Avalon從端口，與Avalon總線相連僅具有讀出功能。
對于數據產生模塊而言，由于僅具有并行數據的輸出，沒有地址和控制信號端口，故它無法直接對SRAM進行寫操作，因而要求乒乓結構模塊有地址產生功能。P1口的CLK作為計數器的脈沖源，計數器的輸出作為SRAM的地址。DBl連接數據產生模塊的輸出端。CBl為控制信號，因為P1口只有寫入功能，所以其we_n恒接低，oe_n恒接高。
P2口為只有讀出功能的Avalon從端口，所以AB2為從端口的地址線address；DB2為數據線readdata；CB2中的we_n為讀信號線read，oe_n恒接低。由于兩片SRAM始終處于工作狀態，所以相應的片選信號chip_select_n恒接低。
兩片SRAM在P1口和P2口之間的切換的控制信號即chipselect，由計數器產生。當計數值小于262 144時，chipselect接低，SR1與P1口相接，SR2與P2口相接；當計數值在262 144～524 288之間時，chipselecl接高，SR1與P2口相接，SR2與P1口相接。當計數值到達524 288時，計數器清零。
2.2.2 Avalon從外設的端口信號設計
系統中，數據產生模塊與乒乓結構模塊結合為一個模塊，通過P2口掛在Avalon總線上。該模塊的信號列表如圖3所示。其中，avalon_slave_O接口類型的信號與Avalon總線相連接，而conduit_end接口類型的信號與SRAM相連接。圖3中的Avalon從端口即為P2口，采用了流水線讀傳輸的模式，這種模式能在前一次傳輸返回readdata前開始一次新的傳輸，增加了帶寬。
2.2.3 動態地址對齊及其時許設計
Avalon總線模塊能夠適應主從外設的不同寬度和不匹配的數據寬度。當系統中村子不匹配的存儲口時，要考慮地址對齊問題。對于存儲器類型的外設，采用動態地址對齊方式。IDT71V416型SRAM是靜態RAM，屬于存儲器型外設，所以該Aalon從端口采用動態地址對齊方式，如圖4所示。選用動態地址對齊方式，使得主端口能連續地對從外設進行讀寫，并使系統將外設認作存儲器型外設。
根據IDT71V416型SRAM手冊中讀寫時序的各時間參數值設定set up，read wait，write wait及holdtime的時間均為10 ns，使該端口既符合Avalon總線讀寫時序的要求，又符合IDT71V416型SRAM的讀寫時序的要求，如圖5所示。
數據產生，乒乓結構和兩片SRAM三部分的組合在ModelSim中的仿真結果如圖6所示。avalon_ad－dress_b不變時是在執行第一次寫操作，此時沒有數據讀出，所以avalon_readdata_b值為高阻；avalon_ad-dress_b開始變化時，表示一片SRAM已經寫滿，正在執行該片的讀操作，而另一片在執行寫操作，avalon_readdata_b為系統生成的數據。
2.3 PCI9054接口邏輯模塊
PCI總線作為PC機與外部設備之間重要的連接總線，具有數據傳輸穩定靈活，傳輸速度快，即插即用和良好的擴展性等特點，被廣泛地用在各種與PC機互聯的設備中。該系統采用的PCI9054芯片口可以將復雜的PCI總線接口轉換為相對簡單的用戶接口，大大縮短了設計周期。
2.3.1 本地總線狀態機設計
由于PCI9054的DMA傳輸方式只適宜于做單次傳輸，故該系統采用了DMA結合中斷的方式傳輸數據。由于數據的存儲采用了乒乓結構，可以在一片SRAM執行DMA傳輸的同時執行另一片寫操作，這樣不會造成數據丟失，狀態也比較容易控制。
系統復位后，數據產生模塊開始產生偽隨機序列，產生的數據直接存入SRAM中。此時，計數器同步計數，當計數值每一次達到262 144時，也就是一片SRAM已經存滿時，SOPC系統就會觸發PCI9054中斷請求信號LINT#，CPU響應中斷，發出讀命令、要讀取的字節數、地址信號等。PCI9054：先通過LHOLD申請本地總線的控制權，SOPC系統通過LHOLDA響應，使PCI9054．獲得本地總線的控制權。PCI9054將PCI地址空間映射到本地地址空間，接著啟動本地總線的DMA傳輸。
該系統采用VHDL語言，實現了DMA讀傳輸本地端的時序控制狀態機設計。狀態0為空閑狀態(i-dle)，若LHOLD信號被置1，則轉到狀態1，否則留在狀態0。狀態1為總線保持狀態(hold)，在此狀態下應將LHOLDA信號置l。如果信號ADs為O且LW_R為0，則轉到狀態2。狀態2為DMA讀狀態(DMA_read)，在此狀態下應將READY信號和模塊內部信號avaIon_read置l，從而使AvaIon主端口的master_read置1，表示Avalon主外設發起讀傳輸。如果BLAST為1，則表明此次DMA讀取還沒有完成，繼續留在狀態2；如果BLAsT為0，則表明此次DMA讀取完成，轉到狀態3。狀態3為DMA讀操作完成狀態(end cycle)，當LHOLD被置0時，表示PCI9054不再請求本地總線，則轉到狀態0；當BLAST為0且LHOLD為1時，則表明PCI9054還要進行DMA讀操作，則轉到狀態1繼續。其中的DMA讀操作的時序邏輯的ModelSim仿真結果如圖7所示。
2.3.2 Avalon主外設的端口信號設計
該系統中，PCI9054控制數據從本地總線上讀出，先到PCI9054的FIFO中，再將FIFO中的數據傳輸到PCI總線上。因此SOPC系統中的PCI9054接口邏輯模塊為Avalon主外設，主端口通過address，read，wait-request等信號發起Avalon總線上的讀操作，從而控制Avalon從外設即乒乓結構模塊的讀操作。
由于本系統定制的從外設采用了流水線讀的傳輸模式，為了使端口傳輸模式匹配，主外設也采用流水線讀的傳輸模式。流水線主端口一個必須的信號為readdatavalid，Avalon交換結構向主端口發出readdat－avalid，以表示readdata信號正在提供有效的數據。
本系統定制的Avalon主外設構成模塊主要由5部分構成，其中Read Master Logic提供了符合Aval－on接口規范的主端口信號；Control Logic是ReadMaster Logic與PCI9054 Local Bus Logic控制信號和狀態信號轉換的橋梁；FIFO是數據由Read MasterLogic向PCI9054傳輸的緩沖區。這三部分通過主端口流水線讀傳輸時序邏輯聯系在一起，提供了Avalon主外設的主端口接口界面。PCI9054 Local Bus Logic即VHDL語言設計的本地總線狀態機，它將PCI9054本地端的信號通過狀態機邏輯轉換為與Control Logic和FIFO相對應的信號；Clock/Reset提供了主外設的clk和reset信號。
利用SOPC Builder中的new cormponent edit設計PCI9054接口邏輯模塊的接口。在new component ed－it的signal中設置模塊的各信號線以及相應的總線型號類型；在interface中設置各信號線對應的端口類型及其相應的參數。圖8為Avalon主端口的參數設置。
2.4 系統中各中斷的實現
在SOPC系統中，當沒有進行傳輸時，Avalon交換結構忽略來自主端口所有與傳輸相關的輸出信號，并且主端口也忽略來自Avalon交換結構所有與傳輸相關的輸入信號。但是Avalon總線接口提供控制信號來實現中斷請求等功能，這些信號不直接與數據傳輸相關。Avalon中斷請求信號允許從端口發出一個IRQ，表明它需要主外設來服務。系統中，PCI9054采用了DMA加中斷的方式來傳輸數據，而且DMA傳輸中的主控制器PCI9054芯片也要通過中斷信號LINT#來觸發，所以中斷的實現是本系統功能實現的關鍵。
系統從端口的中斷原理在于系統復位之后，數據產生模塊開始自動產生偽隨機序列，并自動將數據存入SRAM中，當一片SRAM存滿之后，從端口的irq信號被設置。這個irq信號的時序必須與相關時鐘的上升沿同步，其相關地址端口的名字必須是本模塊中Aval－on從端口的名字。系統中從端口中斷的具體設置如圖9所示。
系統主端口的中斷原理：在于主端口的irq檢測到從端口有中斷發出，通過置為有效來響應這個中斷，并同時用該信號觸發PCI9054的LINT#信號。PCI9054獲得本地總線的控制權，并啟動DMA傳輸，向SOPC：系統中的主外設即PCI9054接口邏輯模塊發送地址和傳輸的字節長度，開始DMA傳輸。當字節長度減為O，另一片SRAM存滿時，再次觸發PCI9054的LINT#信號，使得PCI9054啟動下一次DMA傳輸。主端口中斷的設置如圖10所示。
3 結 語
圖10 主端口中斷設置詳細介紹了基于SOPC設計的數據發生系統中PCI接口的開發過程。對其中的關鍵技術，如設計添加在SOPC系統中的用戶自定義主外設和從外設；PCI9054本地總線狀態機的設計，乒乓結構的存儲模塊的設計，以及系統中各中斷的實現等主要部分做了分析和研究，給出了基于SOPC的硬件實現方案。系統的主要部分由VHDL語言設計實現，有利于參數修改和系統升級。