基于FPGA的多通道SSI通信控制器设计

摘 要： 采用VHDL硬件描述语言，以Xilinx公司的FPGA为设计平台，设计实现了以开源软核MC8051为核心的控制单元，控制4路SSI协议模块的SoPC架构的通信控制器，并对通信控制器进行了功能仿真与验证。该控制器可灵活进行IP核模块扩展，并可作为外围处理机与TI公司TMS320C6000系列DSP进行互连通信，将慢速串行通信任务进行分离，从而减轻DSP的负担，提高系统的整体性能。
关键词： 同步串行接口；FPGA；MC8051；IP核；DSP

在嵌入式系统应用领域中，需要完成的任务越来越复杂，应用环境也越来越恶劣，要求嵌入式计算机在体积不断减小的情况下，具有更强的处理功能和较低的功耗。本文采用FPGA[1]设计技术，利用VHDL硬件描述语言[2]，将4个同步串行接口协议SSI IP核[3]模块组成一个功能可扩展的SoPC架构的从通信控制器，从而使主从控制器协同工作，保证了整个嵌入式系统在通信速度达到技术要求的前提下，能更有效地降低系统功耗与体积。
1 SoPC设计方法
可编程片上系统SoPC(System on Programmable Chip)(或称基于大规模FPGA的单片系统)是一种灵活、高效的SoC解决方案，将处理器、存储器、I/O口等系统需要的功能模块集成到一个PLD器件上，构成了一个可编程片上系统，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功能。
图1为典型的基于IP核库的SoPC设计流程，主要是利用软硬件协同方法完成整个系统设计。

2 通信控制器架构模块组成
本文采用了一种全新的SoPC体系结构，整个嵌入式系统主要由主控制器和FPGA(从控制器)两大功能单元组成，其结构如图2所示。主控制器选用TI公司的TMS320C6713 DSP，虚框内的电路单元则为所设计的多通道同步通信控制器(也即从控制器)。通过TMS320C6713处理器芯片自带的EMIF模块与基于FPGA实现的多通道同步通信控制器进行数据交换。基于FPGA实现的从处理器内部选用MC8051 IP软核来控制和管理4路SSI协议通信控制器，TMS320C6713与MC8051之间通过双端口RAM共享数据和交换信息，整个系统采用中断控制方式，实现主/从控制器协同处理任务。

由图2可知，该SoPC架构控制器内部可划分为4大模块：从处理器MC8051 IP核、4路SSI协议通信控制器、双端口RAM和中断逻辑单元。下面分别对4个主要组成模块进行介绍。
2.1 从处理器
为了提高同步通信控制器的自主性与灵活性，在FPGA内部嵌入一个微控制器80C51 IP核作为同步通信控制器的核心控制单元。MC8051 IP软核的特点主要有：指令集与工业标准的8051控制器兼容；新的体系结构使单片机处理速度提高了10倍；无多路复用I/O端口，实行输入和输出接口完全隔离；256 B的内部RAM；最高可达64 KB的内部ROM和最高可达64 KB的外部RAM；容易调整或改变VHDL源代码实现相关的核扩展功能；可通过VHDL常量进行参数化设置。
图3是MC8051 IP核的内部功能结构图。从图中可以看到，该IP核包括的子模块有：算术逻辑单元MC8051_ALU、串行接口单元MC8051_SIU、定时器/计数器单元MC8051_TMRCTR、核心控制单元MC8051_CONTROL、内部数据存储单元MC8051_RAM、内部程序存储单元MC8051_ROM和外部数据存储单元MC8051_RAMX。其中，N表示MC8051_SIU和MC8051_TMRCTR两个单元根据实际需要可灵活制定的个数，其范围值为1～256，可在VHDL代码中改变参数C_IMPL_N_TMR的值进行设置。