基于SOPC的数据发生系统设计 嵌入式, 技术, 乒乓, 协同, 硬件

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　　0 引 言
　　可编程片上系统(SOPC)是一种特殊的嵌入式系统，因为SOPC是片上系统(SoC)，即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；SOPC是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减，可扩充，可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能；SOPC结合了SoC和FPGA的优点，涵盖了嵌入式系统设计技术的全部内容；SOPC涉及目前已引起普遍关注的软硬件协同设计技术。
　　现以数据发生系统为例，介绍采用SOPC技术，以硬件描述语言为主要手段，产生伪随机序列的设计方案。研究了伪随机序列的产生，两片SRAM乒乓结构存储以及通过PCI9054芯片与PC机之间数据传递等模块的硬件实现问题。
　　1 基本原理和系统的整体结构
　　本系统的主要模块框图如图1所示，SOPC系统采用Altera的CycloneⅡ系列的芯片。系统包括NiosⅡ软核处理器，扩展的程序存储器FLASH，数据存储器SRAM，以及用户自定义逻辑如PCI9054接口逻辑模块、数据产生模块、乒乓结构模块等，并通过Avalon总线连接起来。数据产生模块产生伪随机序列，该数据存储到两片片外扩展的SRAM中，PCI9054接口逻辑将数据从SRAM中读出后通过PCI9054接口芯片传输到PC机中，其中SRAM中数据的写入和读出是通过乒乓结构模块控制的。

　　由于PCI总线协议比较复杂，该系统采用PCI接口专用芯片PCI9054，用于PCI总线的控制。为了实现数据的高速传输，采用了DMA传输模式。在该模式中，PCI9054既是PCI总线的控制器又是本地总线的控制器，所以其与FPGA之间的接口逻辑模块设置为AvaIon主外设，控制SRAM的读操作。
　　FPGA的片上资源很宝贵，所以数据的存储采用了片外扩展SRAM。由于数据为16 b，而且为实现数据的高速传输，采用了两片256K x 16 b的SRAM(IDT71V416)构成乒乓结构，以用作系统的数据存储器。为保证整个系统高速运行以及以后升级的需要，选用了存取时间为10 ns的IDT71V416。
　　2 系统主要硬件设计
　　2.1 数据产生模块
　　该模块的逻辑功能由VHDL语言设计实现，可以通过修改该模块的设计产生所需要的数据，本系统产生的数据为伪随机序列。模块的逻辑功能是：先产生8 b的伪随机数，再将所产生的数据通过D触发器组合成16 b的数据。该系统采用了非线性反馈的移位寄存器，即全状态移位计数器来产生所需要的伪随机数。这种计数器利用了移位寄存器的所有状态，能够自启动，不需要额外输入。这种伪随机序列发生器，可大大简化结构，提高可靠性，易于实现。
　　全状态移位计数器的状态变化规律有两个特点：状态的最高位由反馈函数确定；余下的各位由原态移位得到。该系统采用的反馈函数为：

　　式中：Qi(i＝1，…，8)为电路的现态。
　　2.2 乒乓结构模块
　　2.2.1 乒乓结构的硬件实现
　　为了提高系统的传输速率，两片SRAM构成了乒乓缓存结构，即在一片执行写操作的同时，另一片在执行读操作。乒乓结构模块的原理如图2所示，P1口与数据产生模块相连接，仅具有写入功能，P2口设计为Avalon从端口，与Avalon总线相连仅具有读出功能。

　　对于数据产生模块而言，由于仅具有并行数据的输出，没有地址和控制信号端口，故它无法直接对SRAM进行写操作，因而要求乒乓结构模块有地址产生功能。P1口的CLK作为计数器的脉冲源，计数器的输出作为SRAM的地址。DBl连接数据产生模块的输出端。CBl为控制信号，因为P1口只有写入功能，所以其we_n恒接低，oe_n恒接高。
　　P2口为只有读出功能的Avalon从端口，所以AB2为从端口的地址线address；DB2为数据线readdata；CB2中的we_n为读信号线read，oe_n恒接低。由于两片SRAM始终处于工作状态，所以相应的片选信号chip_select_n恒接低。
　　两片SRAM在P1口和P2口之间的切换的控制信号即chipselect，由计数器产生。当计数值小于262 144时，chipselect接低，SR1与P1口相接，SR2与P2口相接；当计数值在262 144～524 288之间时，chipselecl接高，SR1与P2口相接，SR2与P1口相接。当计数值到达524 288时，计数器清零。
　　2.2.2 Avalon从外设的端口信号设计
　　系统中，数据产生模块与乒乓结构模块结合为一个模块，通过P2口挂在Avalon总线上。该模块的信号列表如图3所示。其中，avalon_slave_O接口类型的信号与Avalon总线相连接，而conduit_end接口类型的信号与SRAM相连接。图3中的Avalon从端口即为P2口，采用了流水线读传输的模式，这种模式能在前一次传输返回readdata前开始一次新的传输，增加了带宽。