不用处理器控制FPGA总线的方法

许多FPGA设计使用嵌入式处理器实现控制。典型的解决方案是使用Nios这样的软处理器，虽然内置硬处理器的FPGASoC也变得很流行了。图1显示的是一个典型的Altera FPGA系统，其中包含了处理器和通过Altera的Avalon内存映射(MM)总线连接的各种外设。这些处理器极大地简化了终端应用，但要求很强的编程背景和复杂的工具链知识。这将妨碍调试，特别是当硬件工程师不想求助软件工程师，只需要一种简单的方式读写外设时。

图1：使用Avalon内存映射总线连接的典型Altera FPGA系统。

本设计实例使用Altera的SPI Slave to Avalon MM桥实现了一种挂接到Avalon总线的简单方法。这种技术有两个优势：它不会影响原始系统设计，桥可以与嵌入式处理器共存。对于图1所示的系统来说，这种SPI桥允许工程师直接控制LTC6948小数分频锁相环的频率、设置LTC1668数模转换器的电压、读取LTC2498模数转换器的电压或读取LTC2983的温度，就像处理器那样。

图2：高亮部分+例子代码+反向工程=Python脚本。

Altera为SPI-Avalon MM桥提供了参考设计。遗憾的是，相关文档非常少，并且将Nios处理器用作SPI主器件。这其实有违使用SPI桥的初衷，因为Nios可以直接连接Avalon MM总线。实用性的SPI主器件是凌力尔特公司的Linduino微控制器，它是Arduino处理器的的克隆版本，不过增加了连接LT演示板的接口等额外功能。其中一个额外功能是电平转换SPI端口。当连接电压低至1.2V的FPGA I/O组时这个电平转换功能特别有用。Linduino固件可以用来接受来自虚拟COM端口的命令，并将命令翻译成SPI处理内容。 在对Altera设计例子进行反向工程后(图2)就能得到一个Python库，接着创建SPI桥可以接受的数据包。这些数据包随后被翻译成Linduino命令。Python脚本随后允许硬件工程师完全控制整个项目，无需重新开发接口协议。LinearLabToolsPhython文件夹中提供了帮助LTC1668数模转换器控制数字图案发生器频率的Python脚本例子。图3显示了演示装置。
图3：插入FPGA电路板(左)的DC2459数模转换器演示板(右)。

图4显示了系统框图。注意，数字控制振荡器(NCO)可以由移位寄存器或PIO内核进行控制。移位寄存器用于调试，因为它可以直接控制NCO。将GPIO线置高将激活SPI-Avalon桥，进而控制Avalon总线上的32位PIO端口。PIO输出随即用于控制NCO频率。

图4：FPGA系统框图

借助基本的一些系统操作，可以将额外的外设内核连接到总线上。为了帮助系统设计，Altera提供了一款名为Qsys的工具，它提供了连接各个IP的图形用户界面(GUI)。Qsys可以将GUI设计的系统(图5)翻译为HDL。外设地址是完全可配置的。在这个案例中，PIO被设为基地址0x0。

图5：Qsys GUI

当设计在FPGA中实现后，LinearLabTools中提供的Python库包含的两个函数就能连接到设计：
transaction_write(dc2026, base, write_size, data) transaction_read(dc2026, base, read_size)
这些函数的第一个参数是Linduino的串口实例。第二个参数是Avalon总线上的外设地址。这两个函数分别用于接收和返回字节列表。当读写IP时这两个函数具有一定的灵活性。为了设置给定例子的NCO，只需要transaction_write一个函数。公式1用于确定调节字。

要将NCO设为1kHz并具有50MSPS采样率，调节字的值需要设为85899或0x00014F8B，并按4个字节一起传送。这样，将数模转换器设为1kHz的Python代码是： transaction_write(linduino_serial_instance, 0, 0, [0x0, 0x01, 0x4F, 0x8B])

图6：Python Avalon总线例子

图6中的Python脚本描述了用于配置NCO的简单文本接口。值得一提的是：SPI桥使用SPI模式3。这是通过不断的试错，并通过分析Altera例子中的Nios处理器的SPI接口验证后才确定的模式。 本设计实例提供了一种无需使用嵌入式处理器就能控制系统的方法，它能帮助硬件工程师在不打扰软件工程师的情况下搞定一个项目，并且对硬件设计的影响最小。