摘 要： 設(shè)計(jì)了一種基于NiosII處理器的片上系統(tǒng)（SoC），集成了NiosII處理器IP、PCI接口IP、網(wǎng)絡(luò)接口IP以及基于Wishbone總線的串行接口IP核、CAN接口IP核等。系統(tǒng)具有可重配置、可擴(kuò)展、靈活、兼容性高、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，適合于片上系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用。本設(shè)計(jì)使用Verilog HDL硬件描述語(yǔ)言在QuartusII環(huán)境下進(jìn)行IP軟核設(shè)計(jì)、綜合、布局布線，在Model Sim下完成功能、時(shí)序仿真，在SoPC下完成系統(tǒng)的定制與集成，在NiosII IDE環(huán)境下完成片上系統(tǒng)軟件程序的開發(fā)，最后在FPGA器件上實(shí)現(xiàn)了智能多接口功能的片上系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞： FPGA；NiosII；片上系統(tǒng)；IP核

隨著超大規(guī)模片上系統(tǒng)需求的日益增多，基于傳統(tǒng)IC芯片的微電子應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)正在轉(zhuǎn)向基于知識(shí)產(chǎn)權(quán)IP（Intellectual Property）核的片上系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展[1]。因此，基于資源IP核的復(fù)用設(shè)計(jì)方式已開始逐漸成為國(guó)內(nèi)外微電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)支撐技術(shù)。從應(yīng)用功能角度劃分IP核有三大類[2]：微處理器IP核（如8位8051核、32位NiosII、Microblaze核等)、各種接口IP核(如SDRAM控制器、PCI總線接口、CAN總線接口、串行總線接口IP核等)和專用算法IP核（圖形編解碼H.264、加密核等）。使用IP核復(fù)用技術(shù)，將IP集成到FPGA芯片上，可縮小PCB板體積，降低功耗；還可以根據(jù)需要進(jìn)行功能的升級(jí)、擴(kuò)充和裁減[3]。本文以Altera公司的NiosII為主處理器并集成PCI接口、串行接口、CAN接口、網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計(jì)為例，說(shuō)明片上系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。
1 設(shè)計(jì)原理
采用片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)的智能多接口模塊一般可以不需要外部主處理器操作系統(tǒng)的干預(yù)，其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。在工作時(shí)，片上系統(tǒng)收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)本板上Nios II處理器處理轉(zhuǎn)換后，即可將數(shù)據(jù)信號(hào)送出或做其他處理。信號(hào)轉(zhuǎn)換、處理工作全部由片上系統(tǒng)完成，不增加外主處理器操作系統(tǒng)的軟件開銷，因而對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)更小。也可以要通過(guò)接入的PCI等系統(tǒng)總線，以中斷提請(qǐng)等方式向外部主處理器提請(qǐng)?jiān)L問(wèn)，可完成與外主處理器的數(shù)據(jù)交換[4]。

在開源OpenCores組織的網(wǎng)站上，可以獲取大量共享IP核， 但是大多數(shù)是未被驗(yàn)證的，或者由于是不同人撰寫的，其代碼風(fēng)格也不盡相同。其接口信號(hào)定義為標(biāo)準(zhǔn)Wishbone總線形式，Wishbone著重定義IP核的接口信號(hào)和總線周期標(biāo)準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)IP核的重用。通過(guò)對(duì)IP軟核代碼的分析，在原代碼的基礎(chǔ)上可通過(guò)修改IP核的部分邏輯功能(如增加內(nèi)嵌數(shù)據(jù)收發(fā)FIFO深度)，優(yōu)化部分接口邏輯；通過(guò)對(duì)異步信號(hào)同步采樣一次，可以去干擾，消除亞穩(wěn)態(tài)以及虛假的Glitch；可通過(guò)增加復(fù)位狀態(tài)寄存器等實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)。最終完成基于Wishbone總線的IP軟核設(shè)計(jì)。下面以串行接口IP核設(shè)計(jì)為例說(shuō)明，其他類型的IP核也可以通過(guò)類似方法獲得。串行接口IP設(shè)計(jì)是以異步串行控制器16C550為原型的。
2.1.1 波特率發(fā)生器設(shè)計(jì)
波特率發(fā)生器通過(guò)兩個(gè)8位的分頻寄存器實(shí)現(xiàn)，它提供發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的基準(zhǔn)時(shí)鐘。波特率發(fā)生器產(chǎn)生的時(shí)鐘是串行數(shù)據(jù)波特率的16倍。上電復(fù)位后兩個(gè)分頻寄存器都為00H，不使能所有的I/O操作。
2.1.2 數(shù)據(jù)收發(fā)
數(shù)據(jù)發(fā)送主要由線控制寄存器、計(jì)數(shù)器、FIFO控制器、發(fā)送FIFO、發(fā)送移位寄存器等實(shí)現(xiàn)。在波特率設(shè)置好后，計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)幀數(shù)據(jù)的位數(shù)，確保發(fā)送的幀數(shù)據(jù)包括起始位、有效數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位、停止位。發(fā)送FIFO可以暫存總線接口發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)從發(fā)送FIFO移入到輸出移位寄存器，每16個(gè)時(shí)鐘時(shí)間向外發(fā)送一位數(shù)據(jù)，先發(fā)送起始位，有效數(shù)據(jù)從移位寄存器的高位逐位移出，最后輸出奇偶檢驗(yàn)位和終止位。當(dāng)發(fā)送FIFO內(nèi)的數(shù)據(jù)低于FIFO設(shè)置觸發(fā)深度時(shí)，會(huì)觸發(fā)發(fā)送FIFO空中斷。
數(shù)據(jù)接收由線控制寄存器、計(jì)數(shù)器、接收FIFO和輸入移位寄存器等組成。接收數(shù)據(jù)的線控制寄存器、計(jì)數(shù)器功能同發(fā)送模塊。接收器始終監(jiān)視著串行輸入端，將8位串行數(shù)據(jù)逐位接收進(jìn)來(lái)。數(shù)據(jù)接收后會(huì)通過(guò)移位寄存器暫存在接收FIFO中， FIFO深度可支持1 B、32 B、64 B、128 B等。
2.1.3 中斷設(shè)計(jì)
串行接口IP核中包含一個(gè)8位的中斷使能寄存器（IER）和一個(gè)8位的中斷識(shí)別寄存器（IIR）。中斷使能寄存器可以使能5種中斷源，分別是：接收線狀態(tài)中斷、發(fā)送線狀態(tài)中斷、時(shí)間溢出中斷、發(fā)送寄存器空中斷、Modem狀態(tài)中斷等，共4個(gè)優(yōu)先級(jí)。上電復(fù)位時(shí)默認(rèn)狀態(tài)為全部中斷屏蔽。上電復(fù)位時(shí)IIR為C1H，通過(guò)讀取IIR數(shù)值可獲取相應(yīng)的4路中斷狀態(tài)信息。
2.2 總線轉(zhuǎn)換橋接邏輯設(shè)計(jì)
為了實(shí)現(xiàn)Wishbone和Avalon總線協(xié)議之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換， 根據(jù)兩種片上總線的特性， 通過(guò)狀態(tài)機(jī)的使用來(lái)實(shí)現(xiàn)總線協(xié)議的轉(zhuǎn)換， 并使用軟件仿真的方法建立模型來(lái)驗(yàn)證總線轉(zhuǎn)換橋的可用性。 Wishbone到Avalon總線轉(zhuǎn)換橋的總體組成原理如圖3所示。

Wishbone到Avalon總線轉(zhuǎn)換橋的基本功能是使得符合Wishbone總線體系結(jié)構(gòu)的IP核可以在采用Avalon總線的NiosII 固核處理器片上系統(tǒng)中集成，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)定制外設(shè)的訪問(wèn)。接口支持32位總線操作?？偩€轉(zhuǎn)換橋由相對(duì)獨(dú)立的Avalon主從端口單元和Wishbone主從端口單元組成，每個(gè)單元都有一套完整的功能來(lái)支持Avalon總線和Wishbone端口上所掛載的IP核之間的交易，讀寫數(shù)據(jù)實(shí)行分開存儲(chǔ)，由配置和狀態(tài)寄存器控制操作模式和數(shù)據(jù)的輸入輸出。Avalon總線接口邏輯與Wishbone接口邏輯兩側(cè)都包含本地狀態(tài)機(jī)及其他控制邏輯，并且總線橋接口邏輯還包括地址譯碼、命令譯碼、接口控制狀態(tài)機(jī)、數(shù)據(jù)輸出MUX、奇偶校驗(yàn)輸出、地址溢出檢查等功能模塊。
2.3 片上系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)
基于NiosII固核處理器的片上系統(tǒng)集成是在SoPC Builder環(huán)境下完成的。片上系統(tǒng)集成主要完成對(duì)片上系統(tǒng)的定制、片上系統(tǒng)的資源分配、總線交換操作、中斷處理等幾個(gè)點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)。
2.3.1 片上系統(tǒng)定制設(shè)計(jì)
片上系統(tǒng)的定制設(shè)計(jì)主要是完成片上系統(tǒng)集成所需要的處理器IP和外設(shè)IP的選型，是集成設(shè)計(jì)的第一步，設(shè)置系統(tǒng)主頻，同時(shí)可選配指令、數(shù)據(jù)Cache大小、外部數(shù)據(jù)指令、硬件乘法器、流水線支持、浮點(diǎn)運(yùn)算支持等特性，并設(shè)置NiosII的Cache和CPU直接相連的存儲(chǔ)器。外設(shè)IP主要包括PCI總線接口IP、外部SRAM接口IP、外部Flash接口IP、外部GPIO接口IP、外部網(wǎng)絡(luò)接口IP、自定制的基于OpenCore的串行接口IP核、CAN總線接口IP軟核等。
2.3.2 片上系統(tǒng)資源分配
SoPC為各IP自動(dòng)分配了一個(gè)默認(rèn)地址。考慮到資源有效利用，還需要對(duì)系統(tǒng)資源進(jìn)行重配置，主要包括：對(duì)Boot Loader的存儲(chǔ)器選擇和設(shè)置Boot Loader在存儲(chǔ)器中的偏移；存放異常向量的存儲(chǔ)器選擇及其偏移量；各外設(shè)在Avalon總線上的偏移地址、中斷號(hào)的分配；PCI總線對(duì)片上Avalon總線上設(shè)備的Memnry或I/O的空間以及地址映射；DMA傳輸配置；消息寄存器（Mailbox）雙口RAM的使用等。具體分配如下：
(1)考慮到可以通過(guò)PCI到Avalon總線的地址映射，從PCI通過(guò)BAR端口直接訪問(wèn)兩路UART、CAN、GPIO等設(shè)備，根據(jù)各接口IP地址特性，其他外設(shè)在Avalon端地址分配不沖突的前提下，有效分配Avalon地址資源，并可以在PCI端直接使用BAR2/BAR3以及Memory或I/O訪問(wèn)此類外設(shè)。
(2)可以通過(guò)Auto Bass Address操作，解決外設(shè)的地址分配沖突問(wèn)題。通過(guò)調(diào)整其他外設(shè)地址避免與Flash地址的沖突。
(3)可通過(guò)手動(dòng)方式修改各個(gè)外設(shè)的中斷號(hào)，也可以通過(guò)Auto Assign IRQs 操作，自動(dòng)分配中斷號(hào)(最低為0，最高31)。
2.3.3 總線數(shù)據(jù)交換操作
PCI總線與Avalon總線實(shí)現(xiàn)互相訪問(wèn)，須先確定PCI核的資源配置，然后根據(jù)資源配置選擇總線數(shù)據(jù)操作方式。從PCI總線方向看PCI軟核主要有以下幾個(gè)部分：寄存器組、BAR0~BAR3、DMAC、PCI訪問(wèn)端口。帶有PCI核的整體架構(gòu)如圖4所示。