基于SOPC的數據發(fā)生系統設計

摘 要：提出一種基于SOPC的數據發(fā)生系統及其PCI接口的設計方案，詳細介紹了系統主要模塊的硬件設計方法，實(shí)現SOPC系統中定制用戶(hù)自定義主從外設及其通過(guò)相應的主從端口與Avalon?？偩€(xiàn)的連接，并在EDA工具QuartusⅡ和ModelSim平臺上用硬件描述語(yǔ)言VHDL語(yǔ)言對該方案中的基本模塊，如數據產(chǎn)生，乒乓結構和PCI9054接口邏輯進(jìn)行了邏輯綜合及功能仿真?？梢栽诒鞠到y的基礎上，通過(guò)軟件的完善，實(shí)現復雜的非常規類(lèi)型數據的產(chǎn)生，提高了系統的適應性和靈活性，有利于參數的修改和系統升級。
關(guān)鍵詞：SOPC；Avalon總線(xiàn)；乒乓結構；PCI9054

0 引 言
可編程片上系統(SOPC)是一種特殊的嵌入式系統，因為SOPC是片上系統(SoC)，即由單個(gè)芯片完成整個(gè)系統的主要邏輯功能；SOPC是可編程系統，具有靈活的設計方式，可裁減，可擴充，可升級，并具備軟硬件在系統可編程的功能；SOPC結合了SoC和FPGA的優(yōu)點(diǎn)，涵蓋了嵌入式系統設計技術(shù)的全部?jì)热?；SOPC涉及目前已引起普遍關(guān)注的軟硬件協(xié)同設計技術(shù)。
現以數據發(fā)生系統為例，介紹采用SOPC技術(shù)，以硬件描述語(yǔ)言為主要手段，產(chǎn)生偽隨機序列的設計方案。研究了偽隨機序列的產(chǎn)生，兩片SRAM乒乓結構存儲以及通過(guò)PCI9054芯片與PC機之間數據傳遞等模塊的硬件實(shí)現問(wèn)題。

1 基本原理和系統的整體結構
本系統的主要模塊框圖如圖1所示，SOPC系統采用Altera的CycloneⅡ系列的芯片。系統包括NiosⅡ軟核處理器，擴展的程序存儲器FLASH，數據存儲器SRAM，以及用戶(hù)自定義邏輯如PCI9054接口邏輯模塊、數據產(chǎn)生模塊、乒乓結構模塊等，并通過(guò)Avalon總線(xiàn)連接起來(lái)。數據產(chǎn)生模塊產(chǎn)生偽隨機序列，該數據存儲到兩片片外擴展的SRAM中，PCI9054接口邏輯將數據從SRAM中讀出后通過(guò)PCI9054接口芯片傳輸到PC機中，其中SRAM中數據的寫(xiě)入和讀出是通過(guò)乒乓結構模塊控制的。

由于PCI總線(xiàn)協(xié)議比較復雜，該系統采用PCI接口專(zhuān)用芯片PCI9054，用于PCI總線(xiàn)的控制。為了實(shí)現數據的高速傳輸，采用了DMA傳輸模式。在該模式中，PCI9054既是PCI總線(xiàn)的控制器又是本地總線(xiàn)的控制器，所以其與FPGA之間的接口邏輯模塊設置為AvaIon主外設，控制SRAM的讀操作。
FPGA的片上資源很寶貴，所以數據的存儲采用了片外擴展SRAM。由于數據為16 b，而且為實(shí)現數據的高速傳輸，采用了兩片256K x 16 b的SRAM(IDT71V416)構成乒乓結構，以用作系統的數據存儲器。為保證整個(gè)系統高速運行以及以后升級的需要，選用了存取時(shí)間為10 ns的IDT71V416。

2 系統主要硬件設計
2.1 數據產(chǎn)生模塊
該模塊的邏輯功能由VHDL語(yǔ)言設計實(shí)現，可以通過(guò)修改該模塊的設計產(chǎn)生所需要的數據，本系統產(chǎn)生的數據為偽隨機序列。模塊的邏輯功能是：先產(chǎn)生8 b的偽隨機數，再將所產(chǎn)生的數據通過(guò)D觸發(fā)器組合成16 b的數據。該系統采用了非線(xiàn)性反饋的移位寄存器，即全狀態(tài)移位計數器來(lái)產(chǎn)生所需要的偽隨機數。這種計數器利用了移位寄存器的所有狀態(tài)，能夠自啟動(dòng)，不需要額外輸入。這種偽隨機序列發(fā)生器，可大大簡(jiǎn)化結構，提高可靠性，易于實(shí)現。