ARM與FPGA高速數(shù)據(jù)通信接口設(shè)計(jì)研究

邱浩淼

摘 要 在當(dāng)前，利用ARM與FPGA高速數(shù)據(jù)通信接口的相關(guān)設(shè)計(jì)，滿足了數(shù)據(jù)采集器相關(guān)設(shè)備工作中對(duì)信號(hào)的高速要求。如果要實(shí)現(xiàn)ARM與FPGA之間的信號(hào)交互工作，主要是通過(guò)SPI總線來(lái)進(jìn)行完成，然后數(shù)據(jù)的上傳工作，主要需采用雙口RAM來(lái)完成。這種設(shè)計(jì)其主要目的為了解決在ARM于FPGA運(yùn)行中，其對(duì)數(shù)據(jù)的處理速度匹配不良或不匹配的情況，并且該設(shè)計(jì)滿足高速、實(shí)時(shí)的需求。與此同時(shí)，根據(jù)相關(guān)的測(cè)試可以看出，此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅促使操作更為簡(jiǎn)單，功能也穩(wěn)定正常。在儀器控制、電子測(cè)量的相關(guān)工作中應(yīng)用廣泛。本文結(jié)合自己相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)基于ARM與FPGA高速數(shù)據(jù)通信接口設(shè)計(jì)進(jìn)行相關(guān)探討。

關(guān)鍵詞 ARM與FPGA;數(shù)據(jù)通信;接口設(shè)計(jì)

前言

這些年來(lái)我國(guó)的科技日新月異，各類儀器的性能也變得越來(lái)越高，從而對(duì)儀器的性能也有了更高的要求和標(biāo)準(zhǔn)，其中對(duì)于儀器控制方面有諸多的要求，無(wú)論從儀器的實(shí)時(shí)性能，還是其精準(zhǔn)度、采樣速度等方面，都有著非常高的要求和標(biāo)準(zhǔn)。為了滿足儀器的控制需求，則需要不斷應(yīng)用先進(jìn)的技術(shù)，不斷提升通信質(zhì)量，建立高速數(shù)據(jù)通信接口設(shè)計(jì)，滿足人們的使用需求。

1LINUX程序設(shè)計(jì)

在過(guò)去的信號(hào)采集工作中，通常需要通過(guò)單片機(jī)或者通過(guò)DSP來(lái)完成。但是，單片機(jī)存在時(shí)鐘頻率不高的情況，導(dǎo)致信號(hào)采集沒(méi)有足夠的速度，也無(wú)法提升效率。如果想要進(jìn)行高速的信息采集，就無(wú)法應(yīng)用單片機(jī)[1]。DSP雖然擁有較快的運(yùn)算速度，但其對(duì)于外部復(fù)雜的硬件沒(méi)有良好的控制。而如果應(yīng)用FPGA就可以避免上述的問(wèn)題，非常適合于高速信號(hào)的采集工作和控制工作，對(duì)提高信息通訊的效率有著極大的作用，進(jìn)而滿足數(shù)據(jù)采集和控制工作需求。相對(duì)來(lái)說(shuō)，ARM技術(shù)具有成本低、體積小、速度很快等優(yōu)勢(shì)，諸多優(yōu)點(diǎn)集于一身，其比較適合處理大容量的數(shù)據(jù)和控制。如果想要linux系統(tǒng)與FPGA可以配合并使用，就需要設(shè)計(jì)出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)。通過(guò)Linux的分配，設(shè)備被分為三個(gè)類別。再者，設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序主要面對(duì)是使得相應(yīng)硬件可以順利完成其對(duì)應(yīng)的工作，主要通過(guò)對(duì)系統(tǒng)軟件的應(yīng)用編程接口進(jìn)行調(diào)用而產(chǎn)生，與此同時(shí)，還要在linux系統(tǒng)下的應(yīng)用程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備進(jìn)行相關(guān)的操作。

1.1 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

首先是SPI驅(qū)動(dòng)，其中包括主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)和SPI外設(shè)驅(qū)動(dòng)。前者由系統(tǒng)自帶，而后者的驅(qū)動(dòng)目標(biāo)是需要注冊(cè)一個(gè)平臺(tái)設(shè)備，包括片選數(shù)量等內(nèi)容。SPI外設(shè)驅(qū)動(dòng)需要外掛在總線上，并且在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中，用SPI-transfer為主要的借口。該系統(tǒng)主要是與FPGA之間形成發(fā)送工作和相應(yīng)流程，之后由FPGA進(jìn)行對(duì)硬件控制，依照相應(yīng)的參數(shù)和配置完成采集。

1.2 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

本文主要闡述關(guān)于SCPI解釋器的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)，其基于LXI總線的軟件，而其應(yīng)用程序則基于SCPI進(jìn)行開(kāi)發(fā)，如果要判斷PC機(jī)的相關(guān)指令，就要通過(guò)SCPI，之后再判斷應(yīng)該應(yīng)用的執(zhí)行函數(shù)。為了使得Linux與FPGA之間通信提升，本文也主要介紹其回傳命令在執(zhí)行中的設(shè)計(jì)。當(dāng)FPGA采集數(shù)據(jù)完畢后，就會(huì)給ARM一個(gè)信號(hào)，ARM收到信號(hào)后，就可以進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)[2]。與此同時(shí)，DPRAM也開(kāi)始存儲(chǔ)相應(yīng)的數(shù)據(jù)，而每次讀取完畢1kb的數(shù)據(jù)后，就會(huì)通知ARM進(jìn)行讀取和計(jì)數(shù)。然后當(dāng)已經(jīng)有了存儲(chǔ)數(shù)據(jù)后，ARM就開(kāi)始回讀存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)到buf之中，當(dāng)讀完畢后，就會(huì)給FPGA信號(hào)，促使其可以繼續(xù)寫(xiě)，達(dá)成如上循環(huán)工作后，直到計(jì)數(shù)data，將DDR2完成全部讀取數(shù)據(jù)。如此算是一次成功的數(shù)據(jù)傳輸，在實(shí)際測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，有效提升了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，符合?dāng)今高速、真實(shí)的數(shù)據(jù)傳輸。

另外是控制臺(tái)程序的設(shè)計(jì)，這個(gè)程序主要是源于IVI驅(qū)動(dòng)，源于其采集的相關(guān)數(shù)據(jù)和現(xiàn)實(shí)的程序，我們?cè)诳刂婆_(tái)中輸入相關(guān)的參數(shù)，繼而執(zhí)行設(shè)置電壓、采樣點(diǎn)等命令，再通過(guò)Socket來(lái)進(jìn)行傳輸，傳輸必要的參數(shù)和占領(lǐng)，繼而進(jìn)行比較后發(fā)送指令，最后，再由FPGA來(lái)對(duì)硬件實(shí)現(xiàn)控制，進(jìn)而獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)，最終通過(guò)套接字之后在控制臺(tái)最終得以顯示。

2FPGA程序設(shè)計(jì)

在將FPGA的數(shù)據(jù)無(wú)誤的傳送給ARM的過(guò)程中，對(duì)FPGA進(jìn)行設(shè)計(jì)是一項(xiàng)較難的工作，因?yàn)镕PGA與ARM分別采用不同的時(shí)鐘。

2.1 雙口RAM模塊

FPGA擁有較高的處理速度，其等級(jí)為ns級(jí)，而ARM為ms級(jí)，兩者在數(shù)據(jù)通信過(guò)程中，都存在于難點(diǎn)，就是其處理速度無(wú)法達(dá)成一致，因此需要采用異步進(jìn)行通信[3]。在設(shè)計(jì)中，可以采取由雙端口和FIFO進(jìn)行存儲(chǔ)工作，其中利用FIFO存儲(chǔ)是先進(jìn)先出的方式。其僅需要按照始終寫(xiě)入和讀取相關(guān)的數(shù)據(jù)即可，脫離了地址線[4]。而如果采用RAM進(jìn)行存儲(chǔ)，地址線、控制線等不會(huì)相互之間產(chǎn)生影響，進(jìn)行獨(dú)立的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)工作。在本設(shè)計(jì)之中，設(shè)計(jì)讀取處于固定位置的數(shù)據(jù)，因此，要采用RAM的方式。

2.2 NIOSⅡ軟核作為控制核心

該軟件是FPGA的控制核心，對(duì)FPGA中所有模塊之間的工作進(jìn)行控制，以及進(jìn)行協(xié)調(diào)各個(gè)模塊之間的工作。其主要采用NIOS Ⅱ/e 的軟核，其主要包括SPI叢及模塊等多個(gè)模塊。

3結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，利用FPGA和ARM相結(jié)合，利用了前者的高速處理信號(hào)的能力，利用了后者較好控制能力，從而設(shè)計(jì)出由ARM和FPGA組合而成的一種高速通信接口。雙口RAM特點(diǎn)在于可以傳輸大量的數(shù)據(jù)，提升了數(shù)據(jù)的傳輸吞吐總量，而SPI實(shí)現(xiàn)了對(duì)FPGA 底層的有效控制，提升了一起的通用性能，進(jìn)而應(yīng)用終端傳輸來(lái)進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的輸送工作，較大幅度地提升了系統(tǒng)的效率。

參考文獻(xiàn)

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