基于FPGA的SOC系统中的串口设计

1 概述

在基于FPGA的SOC设计中,常使用串口作为通信接口,但直接用FPGA进行串口通信数据的处理是比较繁杂的,特别是直接使用FPGA进行串口通信的协议的解释和数据打包等处理,将会消耗大量的FPGA硬件资源。  

为简化设计,降低硬件资源开销,可以在FPGA中利用IP核实现的嵌入式微处理器来对串口数据进行处理。  

本文中的设计采用了XILINX的FPGA,可选用的嵌入式微处理器IP核种类繁多,但基于对硬件资源开销最少的考虑,最终选用了Picoblaze。  
嵌入式微处理器PicoBlaze适用于Spartan-II/E、CoolRunner-II和Virtex系列FPGA,运行速度可达到40MIPS以上,提供49个不同的指令,16个寄存器,256个地址端口,1个可屏蔽的中断。其性能超过了传统的8bit微处理器。嵌入式微处理器Picoblaze的功能、原理见参考文献[1]。  
Picoblaze使用灵活,但其缺点是可寻址的存储空间非常有限,因此为满足实际需要本文同时也提出了使用片外SDRAM器件对其存储能力进行扩展的设计方法。  

2 串口收发接口设计
2.1 串口收发接口硬件设计  

嵌入式微处理器PicoBlaze本身并不具备串行接口,因此必须在FPGA中设计串口接收和发送模块并通过总线结构与Picoblaze连接。  

串口接收和发送模块的设计可采用成熟的IP核。实际设计中采用了XLINX的串口收发IP核,其特点是串口波特率,符号规则都可以灵活地定制,同时具有16字节的接收FIFO和16字节的发送FIFO。  

使用Picoblaze和串口收发IP核构成的串口收发系统结构见图1。  
  
在设计中,发送模块、接收模块和标志寄存器分别有不同的地址,Picoblaze通过地址端口对串口收发模块进行访问。设计中的标志寄存器,可用于指示发送模块和接收模块中FIFO的状态,Picoblaze通过查询标志寄存器来完成对串口数据的收发控制。  

2.2 串口收发接口软件设计  

串口发送、接收子程序  

Picoblaze通过对标志寄存器的查询,根据FIFO的状态进行操作。串口发送和接收子程序流程见图2。  


  
Picoblaze的编程,类似于汇编语言。  

串口发送子程序代码如下:  

(1)串口接收子程序  
receive:
INPUT s0,uartrxflag;查询接收FIFO是否非空
AND s0,01
AND s0,s0
JUMP Z,receive;若FIFO为空时继续查询
INPUT rxdata,uartrx;若FIFO非空时读取数据
RETURN  

(2)串口接收子程序  
translate:
INPUT s0,uarttxflag;查询发送FIFO是否为空
AND s0,01
AND s0,s0
JUMP NZ,translate;若发送FIFO非空时继续查询
OUTPUTtxdata,uarttx;若发送FIFO为空时写入数据
RETURN  

协议处理子程序  
本文应用中的串口通信,采用应答机制,数据具有一定的帧结构,Picoblaze需要对命令帧进行拆包处理,并根据帧的内容进行相应的操作,然后发送响应帧。  

表1通信数据的命令帧结构  

  
表2通信数据的响应帧结构  

  
根据帧格式,Picoblaze对串口数据的处理流程见图3。  


  
以上的Picoblaze程序流程所处理的数据帧结构是较为简单的,当需要处理复杂的通信协议时可以考虑采用多个Picoblaze并行处理。  

3 存储器接口设计  

Picoblaze的优点是资源占用少,使用灵活,但可寻址的地址空间最多为256字节,无法满足对大量通信数据进行存储的需要。因此本文中采用了SDRAM器件来对Picoblaze的存储能力进行扩展。  

SDRAM器件的管脚分为控制信号、地址和数据三类。通常一个SDRAM中包含几个BANK,每个BANK的存储单元是按行和列寻址的。SDRAM的具体特性见参考文献。  

SDRAM在使用时需要专用的控制器来产生满足SDRAM所需的信号。FPGA中SDRAM控制器也有多种IP核可以选用。出于对设计通用性的考虑,本文中采用了一款Altera提供的SDRAM控制器IP核,并增加了必要的设计以满足与Picoblaze的接口要求。SDRAM控制器IP核的功能、原理见参考文献。  

对Picoblaze与SDRAM控制器的接口设计有以下几个出发点:  
  
总线匹配  

Picoblaze为8位处理器,数据线仅8bit,而SDRAM控制器总线宽度与SDRAM相同,可以为8、16或32bit。因此对于SDRAM控制器的数据Picoblaze必须以字节为单位进行处理。   

地址控制  
Picoblaze地址线仅8位,无法直接对SDRAM进行寻址。因此Picoblaze对SDRAM的寻址可借鉴先入先出存储器FIFO的设计,即设计专门的地址计数器,通过地址计数器实现对SDRAM的寻址。