基于FPGA 的嵌入式系統(tǒng)程序開發(fā)實現(xiàn)對AＲM 接口通信控制模塊、芯片驅動模塊的程序設計

摘要: 數(shù)字存儲示波器采用AＲM 與FPGA 雙處理器結合的嵌入式系統(tǒng)設計方案，重點介紹在FPGA 中如何實現(xiàn)對外圍芯片的通信與驅動，采用VHDL 語言，以逐層描述的設計模式，分成AＲM 接口通信控制模塊和外圍芯片驅動功能模塊，整個設計主要負責接收AＲM 的控制指令，根據(jù)其指令要求，發(fā)送控制命令到其它芯片驅動功能模塊，協(xié)調整個數(shù)據(jù)采樣過程，確保數(shù)據(jù)按照如采樣率、采樣方式、觸發(fā)方式等參數(shù)設置要求進行采樣，確保采樣數(shù)據(jù)的可靠性。

數(shù)字存儲示波器作為測試技術的重要工具，被廣泛應用于各個領域，并逐步取代傳統(tǒng)模擬示波器。其采樣數(shù)據(jù)是波形運算和分析的基礎，直接影響到整個數(shù)字存儲示波器的準確性［1］。從這點出來，提出采用現(xiàn)場可編程邏輯器件( FPGA) 作為數(shù)字存儲示波器采樣控制系統(tǒng)的核心，從芯片間有效協(xié)助的角度，基于FPGA 設計AＲM 接口通信控制模塊和外圍芯片驅動功能模塊，以FPGA 為核心有效地組織其它芯片，共同完成數(shù)字存儲示波器數(shù)據(jù)采樣過程，確保數(shù)據(jù)按需求采樣，有效地提高數(shù)字存儲示波器的采樣效率和數(shù)據(jù)的可靠性。

1 數(shù)字存儲示波器的總體設計方案

數(shù)字存儲示波采用雙處理器( AＲM + FPGA) 的嵌入式系統(tǒng)設計方案［2］，AＲM 內嵌WINCE 操作系統(tǒng)，整個采樣系統(tǒng)主要在FPGA 里完成，從功能的角度分成采樣信息處理子系統(tǒng)與采樣控制子系統(tǒng)，本文著重介紹采樣控制子系統(tǒng)的驅動部分，由AＲM 接口控制模塊與芯片驅動模塊組成。如圖1 所示:

2 系統(tǒng)驅動模塊設計

2. 1 AＲM 接口通信控制模塊設計
AＲM 接口通信控制模塊為主要的控制模塊，如圖2 所示。

加入這個模塊而不直接鏈接兩個芯片有以下兩點原因:
1) AＲM 作為主控芯片的控制模塊，引腳數(shù)量有限。如果AＲM 接口直接與FPGA 接口相連，會占用AＲM 過多的接口。
2) AＲM 和FPGA 相連的信號線由于存在各種干擾，有時會出現(xiàn)毛刺現(xiàn)象［3］，影響測量效果。

所以為了測量的穩(wěn)定準確，需要加入FPGA 和AＲM 的接口模塊。此模塊是本設計的重點也是難點。其原理以下結合圖2 來說明。

AＲM 接口通信控制模塊左邊為跟AＲM 鏈接的接口，分別為1 路時鐘cmd_clk，3 路的命令線cmd_sel［2. . 0］，8 路數(shù)據(jù)線cmd_data［7. . 0］。右邊為FPGA 響應的相關接口，在此不作一一講述，下面主要講術FPGA 與AＲM 之間的通信協(xié)議。
cmd_clk 為1 位輸出接口，是AＲM 與FPGA 的同步時鐘，用作同步通信。
cmd_sel［2. . 0］為3 位輸出接口，用作設置cmd_data［7. . 0］的模式選擇。
cmd_data［7. . 0］為8 位輸出接口，是AＲM 發(fā)送到FPGA 的命令或數(shù)據(jù)。

功能實現(xiàn)方面采用了VHDL 語言［4］，以文本輸入作為設計輸入，主要運用CASE 與PＲOCESS 語句，部分程序如下所示。
PＲOCESS( cmd_clk， cmd_sel) / /進程，對cmd_clk 與cmd_sel 進行變化捕捉。
BEGIN / /進程開始。
IF cmd_clk＇EVENT AND cmd_clk = ＇1＇ THEN / /捕捉時鐘信號上升沿觸發(fā)。
IF cmd_sel( 2) = ＇1＇ THEN / / cmd_sel( 2) = ＇1＇時， cmd_data［7. . 0］的輸出為數(shù)據(jù)模式
r_add_add ＜ = cmd_data; / /數(shù)據(jù)賦值
ELSE / / cmd_sel( 2) = ＇0＇時， cmd_data［7. . 0］的輸出為命令模式
CASE r_add_add IS / /命令查詢
WHEN X"00" = ＞ IF cmd_sel = "000" THEN r_DAT_DATA_A( 7 DOWNTO 0) ＜ = cmd_data; － －
ELSIF cmd_sel = "001" THEN r_DAT_DATA_A( 11 DOWNTO 8) ＜ = cmd_data( 3 DOWNTO 0) ;
END IF;

WHEN X"01" = ＞ IF cmd_sel = "000" THEN r_DAT_DATA_B( 7 DOWNTO 0) ＜ = cmd_data;
ELSIF cmd_sel = "001" THEN r_DAT_DATA_B( 11 DOWNTO 8) ＜ = cmd_data( 3 DOWNTO 0) ; END IF;
WHEN X"02" = ＞ IF cmd_sel = "000" THEN r_DAT_DATA_C( 7 DOWNTO 0) ＜ = cmd_data;
ELSIF cmd_sel = "001" THEN r_DAT_DATA_C( 11 DOWNTO 8) ＜ = cmd_data( 3 DOWNTO 0) ; END IF;
WHEN X"03" = ＞ IF cmd_sel = "000" THEN r_DAT_DATA_D( 7 DOWNTO 0) ＜ = cmd_data;
ELSIF cmd_sel = "001" THEN r_DAT_DATA_D( 11 DOWNTO 8) ＜ = cmd_data( 3 DOWNTO 0) ; END IF;
……/ /省略
WHEN X"08" = ＞ IF cmd_sel = "000" THEN r_HC74_DAT_DATA( 7 DOWNTO 0) ＜ = cmd_data; － －
ELSIF cmd_sel = "001" THEN r_HC74_DAT_DATA( 15 DOWNTO 8) ＜ = cmd_data; － －
ELSIF cmd_sel = "010" THEN r_HC74_DAT_DATA( 23 DOWNTO 16) ＜ = cmd_data; END IF;
/ / cmd_sel［2. . 0］的后兩位作為數(shù)據(jù)位數(shù)的選擇，這里可選為8 位、16 位、24 位。
……/ /省略
WHEN OTHEＲS = ＞ r_X9313_DATA ＜ = cmd_data( 4 DOWNTO 0) ;
END CASE;
END IF;
END IF;
END PＲOCESS;P