胡 強

（中國航天科工信息技術研究院，北京 100070）

在電路與信號系統(tǒng)數(shù)據傳輸領域，現(xiàn)場可編程門陣列FPGA與通用處理器進行數(shù)據通信時一般采用通用處理器外部異步總線接口來處理。采用這種接口方式的優(yōu)點是接口實現(xiàn)簡單，易操作；缺點是數(shù)據傳輸速率低。

因此，當系統(tǒng)對數(shù)據傳輸速率要求較高時，這種傳統(tǒng)的FPGA與通用處理器之間的異步數(shù)據傳輸方式不能滿足應用的基本需求。

一般來說，通用處理器都包含有同步動態(tài)隨機存取存儲器SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory)控制器的用途是可以通過接口外部SDRAM存儲器[1]擴展外部存儲空間。SDRAM因為使用同步邏輯傳輸數(shù)據，因此具備很高的數(shù)據傳輸效率。

如果FPGA與通用處理器進行數(shù)據通信時基于SDRAM控制器接口，使用同步邏輯傳輸數(shù)據，數(shù)據傳輸速率將會較異步傳輸大大提高。采用這種接口方式的優(yōu)點就是數(shù)據傳輸速率高，缺點是接口實現(xiàn)較復雜。

1 設計思路

為了能夠在FPGA與通用處理器之間實現(xiàn)同步數(shù)據傳輸，提高數(shù)據傳輸速率，要求通用處理器應當包含SDRAM控制器，F(xiàn)PGA與通用處理器之間的數(shù)據通信則基于SDRAM控制器接口進行。

在滿足上述條件的前提下，本文提出的一個設計思路是將FPGA模擬為通用處理器SDRAM控制器的一個外接SDRAM存儲器，進而通過SDRAM控制器實現(xiàn)通用處理器與FPGA之間的同步數(shù)據傳輸，以提高數(shù)據傳輸速率。

為了實現(xiàn)上述設計思路，需要在FPGA內部構建雙向的同步輸入輸出接口 STI[2]（Synchronous Transmission Interface）與外部通用處理器的SDRAM控制器接口，STI應該嚴格按照SDRAM控制器接口時序進行工作。

2 實現(xiàn)方法

因為通用處理器的SDRAM控制器專門用來擴展系統(tǒng)外部存儲空間，與外部SDRAM存儲器進行接口，因此，在FPGA內部構建的雙向同步輸入輸出接口（STI）必須嚴格按照SDRAM存儲器的工作原理來進行設計，通過STI將FPGA模擬為通用處理器SDRAM控制器的一個外接SDRAM存儲器。此STI接口一端與外部通用處理器的SDRAM控制器進行接口，另一端與FPGA內部的存儲模塊或數(shù)據處理單元接口。這樣，F(xiàn)PGA便可以與外部通用處理器實現(xiàn)同步數(shù)據傳輸，提高數(shù)據傳輸效率。

FPGA與通用處理器同步數(shù)據傳輸系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

圖1 FPGA與通用處理器同步數(shù)據傳輸系統(tǒng)結構圖

STI做為連接FPGA內部數(shù)據存儲或處理單元和外部SDRAM控制器的接口，其接口信號輸入端為完整的SDRAM信號輸入。接口信號輸出端為內部數(shù)據存儲或處理單元的數(shù)據、地址及控制等信號。

圖1中FPGA與通用處理器之間數(shù)據位寬為DQ0～DQ n；尋址空間由地址信號 A0～A n及 BANK信號BA0～BA1來決定；數(shù)據傳輸同步時鐘信號為 CLK；時鐘使能信號為CKE；片選信號為CS#；命令譯碼信號為RAS#，CAS#，WE#；數(shù)據屏蔽信號為 DQM。

FPGA內部的數(shù)據存儲或處理單元與STI通過時鐘信號 Clk、地址信號 Address、數(shù)據信號 Data、控制信號等實現(xiàn)互聯(lián)。

STI的主要功能就是接收來自SDRAM控制器的同步信號，嚴格按照SDRAM工作時序對其進行邏輯譯碼轉換，翻譯成FPGA內部的數(shù)據存儲器或處理單元可以正確應用的信號形式，從而確保數(shù)據傳輸?shù)臏蚀_無誤。

STI包含4個主要的功能模塊[3]：模式寄存器、鎖存模塊、地址解析轉換模塊、譯碼模塊。STI的功能結構框圖如圖2所示。

圖2 STI的功能結構框圖

各功能模塊實現(xiàn)的功能分別是：(1)模式寄存器，設定SDRAM控制器的數(shù)據突發(fā)傳輸長度和讀延時周期；(2)鎖存模塊，鎖存SDRAM控制器發(fā)送的數(shù)據和地址信號；(3)地址解析轉換模塊，根據SDRAM控制器的激活、讀寫等命令，將SDRAM控制器的行列地址進行解析，轉換成為FPGA內部數(shù)據存儲器或處理單元可以直接使用的地址信號；(4)譯碼模塊，結合模式寄存器的配置內容，根據SDRAM控制器的讀、寫命令，譯碼出與數(shù)據存儲器或處理單元接口的讀、寫、使能等控制信號。

譯碼模塊產生的讀、寫、使能等控制信號配合地址解析轉換模塊產生的直接尋址地址信號以及鎖存模塊產生的數(shù)據信號，結合同步時鐘信號，共同完成對STI后端數(shù)據存儲器或處理單元的接口工作。即實現(xiàn)了STI與FPGA內部數(shù)據存儲器或處理單元的數(shù)據實時寫入和讀取操作，從而完成了FPGA與通用處理器之間數(shù)據的實時同步傳輸。

綜上可以得到FPGA與通用處理器同步數(shù)據傳輸系統(tǒng)的工作流程如圖3所示。

圖3 FPGA與通用處理器同步數(shù)據傳輸工作流程圖

以上所述功能模塊及工作內容的代碼實現(xiàn)全部在FPGA內部完成。

3 實測驗證

將上述同步數(shù)據傳輸接口設計方法應用于基于數(shù)字信號處理器 TS201[4-5]和 EP2S180[6]（FPGA）的通用信號處理電路板，已經取得很好的實用效果。經過實際測試，采用該方法后，數(shù)據傳輸正確無誤，數(shù)據傳輸速率是傳統(tǒng)異步接口傳輸速率的5倍以上。

實際測試中，以FPGA內部64 K×32 bit的數(shù)據存儲單元為例，DSP與FPGA分別進行異步數(shù)據傳輸測試和同步數(shù)據傳輸測試[7]，傳輸一包數(shù)據的容量都為64 K×32 bit。通過FPGA開發(fā)環(huán)境QuartusII自帶的 SignalTapII組件對數(shù)據傳輸過程中相關的信號進行實時測試采樣。通過測試得到，采用傳統(tǒng)異步接口數(shù)據傳輸時序圖如圖4所示，采用本文所述同步接口數(shù)據傳輸時序圖如圖5所示。

從圖4和圖5的時序圖可以很直觀地看出，F(xiàn)PGA與通用處理器之間采用同步數(shù)據傳輸較傳統(tǒng)異步數(shù)據傳輸有明顯優(yōu)勢。

本文針對FPGA與通用處理器之間的通信方式，提出了一種通過在FPGA內部構建一個雙向同步輸入/輸出接口（STI）來實現(xiàn)FPGA與通用處理器之間同步數(shù)據傳輸?shù)姆椒?，并詳細介紹了該方法的設計思路及實現(xiàn)方法。

本文提供的設計方法具有很高的實用價值，在不增加系統(tǒng)硬件成本的前提下，有效地利用現(xiàn)有資源，將傳統(tǒng)的異步總線接口改進為同步總線接口，提高了數(shù)據傳輸?shù)乃俾?，進而極大地提升了系統(tǒng)的工作效率。

最后，給出本文設計方法的應用實例，通過在實際通用信號處理樣機上的測試，驗證了該方法的實用性和有效性。

圖4 采用異步接口數(shù)據傳輸時序圖

圖5 采用同步接口數(shù)據傳輸時序圖

[1]MICRON.256Mb:x4，x8，x16 SDRAM Features[EB/OL].(2012-11-08)[2014-04-01].http://www.micron.com/products/dram/sdram#fullPart&236=2.

[2]夏宇聞.Verilog數(shù)字系統(tǒng)設計教程（第 2版）[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[3]袁俊泉，孫敏琪，曹瑞.Verilog HDL數(shù)字系統(tǒng)設計及其應用[M].西安：西安電子科技大學出版社，2002.

[4]Analog Devices.ADSP-TS201 TigerSHARC?embedded processor，Rev.C[EB/OL].(2012-11-08)[2014-04-01].http://www.analog.com/en/processors-dsp/tigersharc/adspts201s/products/product.html.

[5]Analog Devices.ADSP-TS201 TigerSHARC?processor hardware reference，Revision 1.1[EB/OL].(2012-11-08)[2014-04-01].http://www.analog.com/en/processors-dsp/tigersharc/adsp-ts201s/products/product.html.

[6]Altera.Stratix?II device handbook，Volume 1 and Volume 2[EB/OL].(2012-11-08)[2014-04-01].http://www.altera.com.cn/literature/lit-stx2.jsp.

[7]Analog Devices.ADSP-TS201 TigerSHARC?processor programming reference，Revision 1.1[EB/OL].(2012-11-08)[2014-04-01].http://www.analog.com/en/processors-dsp/tigersharc/adsp-ts201s/products/product.html.