基于FPGA的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)與研制

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，因此對實(shí)現(xiàn)邏輯設(shè)計(jì)、嵌入式開發(fā)、仿真調(diào)試等功能有重要作用，對擴(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 設(shè)計(jì)

1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口實(shí)驗(yàn)平臺設(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)平臺在投入使用后首先需要滿足調(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語言用法等，然后通過增加基于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)鐘的主要功能是對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口實(shí)驗(yàn)平臺提供時(shí)鐘源支持；外部接口主要功能是通過配置專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)平臺的模塊核心，可決定系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)情況。基于FPGA的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口實(shí)驗(yàn)平臺硬件結(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)平臺主芯片選型為XC6SLX45T，此類FPGA芯片中共內(nèi)置4分BANK，各個(gè)BANK模塊所對應(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)平臺系統(tǒng)共配置3條配置電路通道，第一是通過計(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于專用SPI Flash模塊中，然后上電自動編程FPGA；第三是支持ACE的配置控制器電路，通過ACE配置控制器對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口實(shí)驗(yàn)平臺外部CF卡進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對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器件能夠支持三類主頻模式，并兼具四類串行數(shù)據(jù)流的模式功能，可實(shí)現(xiàn)雙聲道播放功能，可完全滿足計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口實(shí)驗(yàn)平臺的音頻功能需求；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級別，可以滿足是平臺高清顯示的功能需求。USB外置接口平臺設(shè)計(jì)中則保留原平臺所應(yīng)用的PDIUSBD12器件，發(fā)揮其體積小、功能多等優(yōu)勢，支持整套計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口實(shí)驗(yàn)平臺實(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)過程中主要負(fù)責(zé)對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，可滿足計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口實(shí)驗(yàn)平臺功能需求。

3 結(jié)束語

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)平臺設(shè)計(jì)方案，對本方案的設(shè)計(jì)要點(diǎn)以及平臺研制問題進(jìn)行了概括分析與總結(jié)。整套方案綜合性能確切，可滿足對調(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

江蘇自動化研究所 江蘇省連云港市 222006