基于FPGA的SDX總線與Wishbone總線接口設(shè)計(jì)

劉 娟，張智鵬

(西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西西安 710071)

隨著微電子設(shè)計(jì)技術(shù)與工藝的迅速發(fā)展，數(shù)字集成電路逐步發(fā)展到專用集成電路(ASIC)，其中超大規(guī)模、高速、低功耗的新型FPGA的出現(xiàn)，降低了產(chǎn)品的成本，提高了系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)，各種電子產(chǎn)品的復(fù)雜度和現(xiàn)代化程度的要求也逐步提高，文中針對機(jī)載信息采集系統(tǒng)的可靠性、數(shù)據(jù)管理的高效性以及硬件成本的需求。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了與Wishbone總線［1］SDX總線［2］的接口轉(zhuǎn)化，完成了數(shù)據(jù)采集功能模塊與SDX總線協(xié)議之間的數(shù)據(jù)傳輸。

該設(shè)計(jì)主要采用硬件描述語言 Verilog HDL［4－5］在可編程邏輯器件FPGA上實(shí)現(xiàn)，由于數(shù)據(jù)采集功能模塊繁多，而Wishbone總線可以與任何類型的ROM或RAM相連，因此需在SDX總線與數(shù)據(jù)采集模塊中嵌入Wishbone總線，使得整體設(shè)計(jì)簡單、靈活，且數(shù)據(jù)能夠高效、快速的傳輸。

1 SDX總線協(xié)議

1.1 SDX總線結(jié)構(gòu)

SDX總線［2］屬于非平衡配置的點(diǎn)對點(diǎn)和多點(diǎn)鏈路，站點(diǎn)類型分為主站和從站，其數(shù)據(jù)傳輸方式為非平衡配置的指令/響應(yīng)方式。與國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO制定的開放系統(tǒng)互聯(lián)模型OSI/RM相比，參考模型只分為3層:物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，如圖1所示。

圖1 SDX參考模型與OSI/RM的對應(yīng)關(guān)系

1.2 字格式及其各位場的含義

SDX總線采用面向消息的傳輸控制規(guī)程作為通信協(xié)議，選用曼徹斯特Ⅱ雙相電平編碼，總線最大傳輸速率20 Mbit·s－1，字長為20 位。總線傳輸速率 20 Mbit·s－1時(shí)，每字占1 μs。規(guī)定每次傳輸一個(gè)消息的過程應(yīng)包括指令字、數(shù)據(jù)字和狀態(tài)字幾個(gè)部分。每種字的字長為20位，有效信息位為16位，每個(gè)字的前3位為單字的同步字頭，而最后一位是奇偶校驗(yàn)位。同步字頭的作用是標(biāo)識每個(gè)字的開始，起字同步作用。奇偶校驗(yàn)采用奇校驗(yàn)，在發(fā)送端對16位有效位補(bǔ)齊，而在接收端進(jìn)行奇校，用于檢驗(yàn)字傳輸中有無錯(cuò)誤。需要指明的是:無論是何種字類型，各場的數(shù)據(jù)總是高位(MSB)傳輸在先。

(1)指令字結(jié)構(gòu)。

指令字只能由主站發(fā)送，它的內(nèi)容指明主站要與哪個(gè)從站對話，規(guī)定了該次數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡刂贩较蚝头?wù)類型。其格式如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡刂贩较蚝头?wù)類型格式

方向和服務(wù)類型

1～3位:同步字頭(SYN)，前1.5位為101，后1.5位為000時(shí)標(biāo)識指令字或狀態(tài)字。

4～13位:10 bit遠(yuǎn)程模塊地址(RA［9:0］)，全“0”時(shí)為廣播地址，其余為各遠(yuǎn)程模塊地址。

14位:讀寫控制位R。該位為“1”時(shí)，表明主站要從被尋址的從站中讀取數(shù)據(jù);為“0”時(shí)，表明主站要從被尋址的從站中寫入數(shù)據(jù)。

15～18位:當(dāng) RA［9:0］為非全“0”時(shí)，EP［3:0］有效。需要強(qiáng)調(diào)的是:當(dāng)RA［9:0］為非全“0”，端點(diǎn)地址為全“0”時(shí)，該地址為從站的系統(tǒng)管理訪問地址。

19位:狀態(tài)字指示位S，當(dāng)該位為“0”時(shí)，表明有效字為指令字;當(dāng)該位為“1”時(shí)，表明有效字為狀態(tài)字。

20位:奇偶校驗(yàn)位(P)，該字的奇偶校驗(yàn)位，奇校驗(yàn)有效。

(2)數(shù)據(jù)字結(jié)構(gòu)。

數(shù)據(jù)字既可以由主站傳送到從站，也可以由從站傳送到主站。數(shù)據(jù)字的格式如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)字格式

1～3位:前1.5位為101，后1.5位為111時(shí)標(biāo)識數(shù)據(jù)字。

4～19位:16 bit長數(shù)據(jù)(DATA［15:0］)，高位(MSB)傳輸在先。

20位:奇偶校驗(yàn)位(P)，該字的奇偶校驗(yàn)位，奇校驗(yàn)有效。

(3)狀態(tài)字結(jié)構(gòu)。

狀態(tài)字只能由從站發(fā)出，是對主站發(fā)出的有效命令的應(yīng)證性信號，是通信中進(jìn)行差錯(cuò)控制和流量控制的重要手段。狀態(tài)字格式如圖4所示。

圖4 狀態(tài)字格式

1～3位:同步字頭(SYN)，前1.5位為101，后1.5位為000時(shí)標(biāo)識指令字或狀態(tài)字。

4～13位:10 bit從站的地址(RA［9:0］)。

14～18位:狀態(tài)代碼，表示響應(yīng)模塊的通信狀態(tài)。

19位:狀態(tài)字識別位(S)，當(dāng)有效字為狀態(tài)字時(shí)，該位為“1”。

20位:奇偶校驗(yàn)位(P)，該字的奇偶校驗(yàn)位，奇校驗(yàn)有效。

表1 狀態(tài)代碼描述

注釋1，只有滿足下列判據(jù)才認(rèn)為傳輸中不存在錯(cuò)誤:(1)“字有效”，這是指都以有效的同步字頭開始，并且除去同步字頭之外其余的都是有效的雙相碼，有效信息是 16位，奇偶校驗(yàn)位一位，且奇校驗(yàn)。(2)“消息有效”，這是指在一次傳輸中，如果存在一個(gè)數(shù)據(jù)塊，那么在指令字與數(shù)據(jù)字之間，在數(shù)據(jù)字與數(shù)據(jù)字之間，消息是連續(xù)的，不存在任何“斷裂”的情況。(3)“指令有效”，這是指在指令字和數(shù)據(jù)字各場中不存在非法數(shù)據(jù)，同時(shí)發(fā)出的數(shù)據(jù)塊長度應(yīng)與設(shè)置長度相等。如果以上3個(gè)判據(jù)中有任何一個(gè)得不到滿足，則消息錯(cuò)誤位置位。

注釋2，由于廣播消息格式要求禁止從站發(fā)回狀態(tài)字，為了解上一個(gè)廣播指令是否已被從站有效接收，可使用專門的命令類型讓某個(gè)從站發(fā)回狀態(tài)字，如此位置成“1”，而且忙位置成“0”，即說明上一個(gè)指令的確是廣播指令，已被該從站有效接收。

2 Wishbone總線協(xié)議

Wishbone總線是一種內(nèi)部總線協(xié)議［1］。它可以將片內(nèi)的各部分以及IP核等連接在一起，用來標(biāo)準(zhǔn)化各個(gè)獨(dú)立部分的接口，以更加方便地架構(gòu)SOC(Syctemon－Chip)系統(tǒng)。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、靈活，只需要少量的邏輯門即可實(shí)現(xiàn)，同時(shí)完全免費(fèi)、公開［1］。

Wishbone總線規(guī)范中，使用Master/Slave結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)靈活的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，Master/Slave有4種互連方式，分別為點(diǎn)對點(diǎn)、數(shù)據(jù)流、共享總線和交叉互連。且Master和Slave之間使用握手協(xié)議，當(dāng)準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，Master使STB_O有效，且一直保持到Slave的響應(yīng)信號ACK_O，ERR_O，或RTY_O之一有效。Master在每個(gè)時(shí)鐘的上升沿對響應(yīng)信號采樣，若該信號有效，則置低STB_O，如圖5所示。

圖5 握手時(shí)序

2.1 Wishbone總線基本傳輸周期

Wishbone總線支持完整的普通數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，包括單個(gè)讀寫周期、塊讀寫周期等。數(shù)據(jù)總線寬度為8～64位，地址總線寬度最高可達(dá)64位。Wishbone數(shù)據(jù)總線和地址總線分離，在傳輸上，保持一個(gè)地址、一個(gè)數(shù)據(jù)的傳輸結(jié)構(gòu)。以下為Wishbone總線單次讀、寫時(shí)序圖。圖6為單次讀周期時(shí)序，圖7為單次寫周期時(shí)序。

圖6 單次讀操作時(shí)序

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

圖7 單次寫操作時(shí)序

系統(tǒng)所有控制邏輯均在Altera的CycloneⅢ系列FPGA(EP3C40F)上實(shí)現(xiàn)。FPGA的信號線只有系統(tǒng)時(shí)鐘、串行輸入數(shù)據(jù)，由于SDX總線中傳輸數(shù)據(jù)為曼徹斯特碼型，因此需將曼徹斯特碼解碼為BCD碼同時(shí)將串行輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為并行數(shù)據(jù)，將轉(zhuǎn)化后標(biāo)準(zhǔn)的16位并行BCD碼輸入SDX模塊對SDX協(xié)議響應(yīng)，將需要數(shù)據(jù)讀、寫的消息響應(yīng)同時(shí)產(chǎn)生數(shù)據(jù)讀、寫以及地址信號并發(fā)起Wishbone總線操作，實(shí)現(xiàn)在Wishbone總線上高效的數(shù)據(jù)傳輸。Wishbone總線主要使用點(diǎn)對點(diǎn)的互聯(lián)方式，將Wishbone總線中Master模塊中的輸出信號直接連接到Slave模塊，其優(yōu)點(diǎn)是多個(gè)數(shù)據(jù)可以并行處理，從而提高系統(tǒng)的整體數(shù)據(jù)處理能力。系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)框圖如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖

4 仿真結(jié)果分析

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)系統(tǒng)的性能，使用Modelsim6.2仿真軟件對系統(tǒng)功能進(jìn)行了仿真測試。

圖9為Wishbone總線寫操作，且為單字寫傳輸，在時(shí)鐘上升沿，Master將DAT_O、ADR_O信號放到數(shù)據(jù)、地址總線上，將CYC_O、STB_O、WE_O置高表示寫傳輸開始，在下一個(gè)時(shí)鐘沿到達(dá)之前，Slave檢測到Master發(fā)起的操作，將ACK_O、ERR_O、RTY_O之一置高并傳輸?shù)組aster中，若Master檢測到ACK_I為高時(shí)，在下一個(gè)時(shí)鐘的上升沿將CYC_O、STB_O置低表示操作完成，若ERR_I為高，則表示該操作錯(cuò)誤，取消此操作，進(jìn)行下一步操作，若RTY_I表示Slave總線忙，則重試。

圖9 wishbone寫操作仿真圖

圖10為Wishbone總線讀操作，且為單字讀傳輸，在時(shí)鐘上升沿，Master將ADR_O信號放到地址總線上，WE_O保持為低，同時(shí)將CYC_O、STB_O置高表示讀傳輸開始，在下一時(shí)鐘沿到達(dá)之前，Slave檢測到Master發(fā)起的操作，將ACK_O、ERR_O、RTY_O之一置高并傳輸?shù)組aster中，同時(shí)將適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)傳輸?shù)組aster的DAT_I中，若Master檢測到ACK_I為高時(shí)，在下一個(gè)時(shí)鐘的上升沿將CYC_O、STB_O置低表示該次讀操作完成，若ERR_I為高，則表示該操作錯(cuò)誤，則取消此操作，進(jìn)行下一操作，若RTY_I表示Slave總線忙，則重試。

圖10 Wishbone讀操作仿真圖

5 結(jié)束語

討論了基于FPGA的SDX總線與Wishbone總線的接口轉(zhuǎn)換，并介紹了不同總線的接口標(biāo)準(zhǔn)與時(shí)序，通過在Modelsim下的仿真，Quartus中綜合，可下載到FPGA中進(jìn)行調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的整體性能，從而保證了系統(tǒng)快速、高效的傳輸。

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