基于NiosII的USB接口模塊設計

1.引言

隨著(zhù)電路規模越來(lái)越大，片上系統（SoC）已經(jīng)成為IC設計的發(fā)展趨勢，相應地也有了更加靈活的片上可編程系統（SOPC）。Nios II CPU是一個(gè)基于流水線(xiàn)設計的通用RISC微處理器，擁有五級流水線(xiàn)和指令與數據內存分開(kāi)的哈佛結構，具有可配置功能。用戶(hù)可以根據需求在SOPC Builder中增減IP核，從而實(shí)現資源優(yōu)化。為了構建一個(gè)更簡(jiǎn)潔高效的片上系統，用戶(hù)可以自行開(kāi)發(fā)IP組件，作為用戶(hù)自定義邏輯添加到AVALON總線(xiàn)^[1]。AVALON總線(xiàn)是一種結構相對簡(jiǎn)單的總線(xiàn)，用于連接Nios II和其他外設。它規定了主從部件間的端口連接關(guān)系，以及部件間通信的時(shí)序關(guān)系。

AVALON總線(xiàn)擁有多種傳輸模式，以適應不同外設要求?；緜鬏斈Ｊ绞窃谥鲝耐庠O之間進(jìn)行單字節，半字或字的傳輸。AVALON總線(xiàn)還支持一些高級傳輸模式，例如支持流操作，支持延時(shí)操作，支持多個(gè)主設備同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)。

2.用戶(hù)自定義邏輯模塊設計流程

通常來(lái)說(shuō)，EDA廠(chǎng)商及第三方提供的IP核都是通用的，但進(jìn)行SOPC設計時(shí)，用戶(hù)可能有特殊需求，這時(shí)必須使用用戶(hù)自定義邏輯來(lái)實(shí)現所要的功能。SOPC Builder集成在A(yíng)ltera公司的EDA工具Quartus II中。用戶(hù)可以通過(guò)SOPC Builder提供的圖形用戶(hù)界面從Altera公司提供的IP庫中選取一些組件，如Nios II，DMA，SRAM，FLASH等等，根據實(shí)際需要設置這些IP的配置參數。用戶(hù)還可以自己編寫(xiě)HDL代碼模塊作為用戶(hù)自定義邏輯方便地添加到SOPC Builder中，設計流程如圖1所示。

圖1 SOPC設計流程

3.USB接口模塊的添加

這里以常用的USB控制芯片SL811HS為例詳細介紹如何在Nios II中添加用戶(hù)自定義模塊。圖2是系統結構圖。

3.1 USB控制芯片介紹^[2]

SL811HS 是Cypress 公司的嵌入式USB host/slave 接口芯片，支持USB1.1 的全速和低速設備。提供USB 主機的硬件接口及總線(xiàn)管理機制，片內集成SIE、USB 收發(fā)器和根HUB，能夠完成嵌入式USB 主機所需的功能。

SL811HS的地址和數據均通過(guò)ad[7..0]分時(shí)傳輸，通過(guò)a0（數據/地址選擇線(xiàn)）電平的高低加以區分，當a0置為低電平時(shí)，ad[7..0]上傳輸的是SL811片內寄存器/緩沖區的地址；反之高電平則為數據。nwr、nrd、ncs、nrst分別為寫(xiě)控制線(xiàn)、讀控制線(xiàn)、片選線(xiàn)和復位線(xiàn)，均是低電平有效，Nios II通過(guò)這幾根控制線(xiàn)完成對SL811HS片內緩沖區讀寫(xiě)、片選和復位等操作。intrq是中斷請求信號線(xiàn)。當SL811HS檢測到外設插入、拔出或者數據發(fā)送錯誤、超時(shí)、數據溢出等異常情況時(shí)，通過(guò)將intrq置高電平通知Nios II。

3.2 USB接口模塊設計

AVALON總線(xiàn)為用戶(hù)提供了非常友好的接口，使得系統搭建時(shí)的一些細節問(wèn)題得到屏蔽，大大減輕了系統搭建的工作量。在SL811HS與AVALON總線(xiàn)的接口轉換verilog代碼中，只需建立SL811HS端口與AVALON總線(xiàn)端口的映射關(guān)系即可。nios_intrq、nios_read_n、nios_write_n、nios_cs_n、nios_reset_n、nios_write_data[7..0]、nios_read_data[7..0]、nios_address分別對應NiosII中的中斷、讀、寫(xiě)、片選、復位、寫(xiě)數據、讀數據、地址信號。intrq、nrd、nwr、ncs、nrst、ad[7..0]、a0分別對應SL811HS的中斷、讀、寫(xiě)、片選、復位、數據/地址線(xiàn)、數據/地址選擇信號。如圖3所示^[3]。

圖3 自定義USB接口模塊

在Quartus II中對模塊功能進(jìn)行仿真，由于SL811HS是數據/地址復用端口， Nios II對其緩沖區寫(xiě)的時(shí)候，先把地址通過(guò)nios_write_data[7..0]發(fā)送到ad[7..0],然后把數據通過(guò)nios_write_data[7..0]發(fā)送到ad[7..0]。從SL811HS緩沖區讀數據的時(shí)候，先把緩沖區地址通過(guò)nios_write_data[7..0]發(fā)送到ad[7..0],然后通過(guò)ad[7..0]讀數據到nios_read_data[7..0]中。如圖4所示。

圖4 接口轉換模塊仿真波形

3.3添加用戶(hù)自定義邏輯^[4]

在圖形用戶(hù)界面SOPC Builder中，左欄有一項是添加用戶(hù)邏輯。選擇后，在Bus Userface Type 選中Avlaon Register Slave，設置為靜態(tài)地址對齊方式。加入用戶(hù)編寫(xiě)的源代碼文件，同時(shí)指定Verilog代碼中各個(gè)信號的類(lèi)型。nios_clk指定為“clk”類(lèi)型， nios_read_n等指定為“read_n ”類(lèi)型，nios_write_data[7..0]指定為“writedata” 類(lèi)型，nios_address指定為“address ”類(lèi)型，與SL811HS直接相連信號線(xiàn)的都指定為“export”類(lèi)型。點(diǎn)擊Instantiation選擇Simulate user logic。再點(diǎn)擊Timing，根據SL811HS的時(shí)序要求，Setup設置為2，Wait設置為65，Hold設置為5，Unit設置為ns。點(diǎn)擊Finish Editing之后，回到主界面，在System Generation中選擇SDK和HDL，最后點(diǎn)擊Generate。

當SOPC Builder生成一個(gè)Nios II處理器設計時(shí)，會(huì )完成以下工作：

1) 系統存儲器映像一致性檢查。對外設地址和中斷優(yōu)先級進(jìn)行唯一性驗證，檢查其是否在CPU的有效訪(fǎng)問(wèn)范圍之內。

2) 為Nios II系統生成一個(gè)定制的軟件開(kāi)發(fā)包SDK。

生成Nios II處理器系統的硬件設計文件*.ptf，可以用這些文件來(lái)創(chuàng )建Nios II系統硬件。

3.4 SL811HS讀寫(xiě)函數的實(shí)現

讀寫(xiě)操作是Nios II與SL811HS最基本的通信方式，Nios II讀SL811HS緩沖區數據的時(shí)候，先用IOWR函數把所讀緩沖區的地址發(fā)送給SL811HS，然后調用IORD函數，得到的返回值就是緩沖區的數據。Nios II往SL811HS緩沖區寫(xiě)數據的時(shí)候，先發(fā)地址，然后調用IOWR函數把數據發(fā)送到SL811HS緩沖區的指定地址。在用戶(hù)工程中的inc/excalibur.h可以找到USB模塊對應地址，根據這個(gè)地址來(lái)實(shí)現SL811HS寄存器的讀寫(xiě)操作。Nios II每個(gè)寄存器占32位，而地址按字節分配，所以每個(gè)寄存器使用4個(gè)地址，USB模塊對應的地址寄存器地址為0x00900c00，數據寄存器地址為0x00900c04。

#define ADDR_REG 0x00900c00

#define DATA_REG 0x00900c04

sl811_read(u8 reg)

{IOWR(ADDR_REG,0,reg);

return IORD(DATA_REG,0);

}

sl811_write(u8 reg, u8 val)

{IOWR(ADDR_REG,0,reg);

IOWR(DATA_REG,0,val);

}