基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1 前言

　　近年來，隨著嵌入式核心芯片的飛速發(fā)展，改變了傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，嵌入式系統(tǒng)逐漸由板級向芯片級過渡，即片上系統(tǒng)——SOC。片上系統(tǒng)是追求產(chǎn)品系統(tǒng)最大包容的集成器件，是當(dāng)前嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)熱點(diǎn)。SOC的出現(xiàn)使集成電路發(fā)展成為集成系統(tǒng)，整個(gè)電子整機(jī)的功能可以集成到一塊芯片中，降低了設(shè)計(jì)成本，縮短了開發(fā)周期。因此，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)，既能滿足嵌入式系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的需要，同時(shí)也可作為嵌入式產(chǎn)品開發(fā)平臺。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能包括：可以運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)；支持NIOS II開發(fā)；支持USB通訊；支持RS-232串口通訊；支持以太網(wǎng)通訊；支持JTAG接口在線調(diào)試與下載。

　　2.1 系統(tǒng)硬件框圖

　　針對所需的功能，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的相應(yīng)硬件平臺，硬件平臺主要是由嵌入式處理器模塊、存儲器模塊、包括以太網(wǎng)接口、USB接口和電源等外部接口電路模塊組成。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

　　圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

　　2.2 嵌入式處理器模塊

　　嵌入式處理器是整個(gè)系統(tǒng)的控制管理中心，主要功能是實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的控制和任務(wù)調(diào)試管理。在本系統(tǒng)中嵌入式處理器采用ALTERA公司的Cyclone系列的EP1C12Q240C8芯片，其采用QFP封裝，擁有12060個(gè)邏輯單元（LE）、52個(gè)M4K 存儲塊、全部RAM位數(shù)為239616、兩個(gè)鎖相環(huán)，以及249個(gè)可用的I/O腳， 其配置存儲器采用EPCS1，編譯后系統(tǒng)速度可以達(dá)到100MHz，支持ALTERA 公司的SOPC內(nèi)核NIOS II系統(tǒng)的開發(fā)，NIOS II開發(fā)環(huán)境編譯后的可執(zhí)行文件可以通過JTAG接口下載到開發(fā)板上的FLASH中去，可以支持一些嵌入式操作系統(tǒng)，比如MicroC/OS操作系統(tǒng)和mClinux操作系統(tǒng)。

　　2.3存儲器模塊

　　2.3.1 專用串行配置器件EPCS1接口電路

　　EPCS系列器件是Altera公司提供的一種基于FLASH存儲器的專用串行配置器件，其具有串行接口，接口只需要四個(gè)引腳，能夠存儲Stratix II 系列、Cyclone系列的FPGA的配置信息，并在系統(tǒng)上電或者需要重新配置FPGA時(shí)，向FPGA發(fā)送配置信息。本系統(tǒng)用的串行配置器件EPCS1大小為1M字節(jié)，反復(fù)擦寫次數(shù)可多達(dá)十萬，可以輕松實(shí)現(xiàn)掉電保護(hù)

　　2.3.2 Flash存儲器接口電路

　　Flash存儲器具有低功耗、大容量、擦寫速度快、可整片或分扇區(qū)在系統(tǒng)編程（燒寫）、擦除等特點(diǎn)，因而在各種嵌入式系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

　　系統(tǒng)中用了一片AMD29LV320D FLASH存儲器，其單片存儲容量為32M位（4M字節(jié)），工作電壓為2.7V~3.6V，16位數(shù)據(jù)寬度。AMD29LV320D僅需3V電壓即可完成在系統(tǒng)的編程與擦除操作，通過對其內(nèi)部的命令寄存器寫入標(biāo)準(zhǔn)的命令序列，可對Flash進(jìn)行編程（燒寫）、整片擦除、按扇區(qū)擦除以及其他操作。

　　Flash存儲器在系統(tǒng)中通常用于存放程序代碼，系統(tǒng)上電或復(fù)位后從此獲取指令并開始執(zhí)行，由于，在進(jìn)行系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過使用Quartus II對引腳進(jìn)行配置，所以對于AMD29LV320D FLASH的三個(gè)功能引腳nCE、nOE、nWE，可以各接一個(gè)EP1C12Q240C8的通用I/O腳即可。

　　2.3.3 SDRAM存儲器接口電路

　　與Flash存儲器相比較，SDRAM不具有掉電保持?jǐn)?shù)據(jù)的特性，但其存取速度大大高于Flash存儲器，且具有讀/寫的屬性，因此，SDRAM在系統(tǒng)中主要用作程序的運(yùn)行空間、數(shù)據(jù)及堆棧區(qū)。當(dāng)系統(tǒng)啟動時(shí)，CPU首先從復(fù)位地址0x0處讀取啟動代碼，在完成系統(tǒng)的初始化后，程序代碼調(diào)入SDRAM中運(yùn)行，以提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度。同時(shí)，系統(tǒng)及用戶堆棧、運(yùn)行數(shù)據(jù)也都放在SDRAM中。

　　系統(tǒng)中用了一片HY57V641620 SDRAM存儲器，其存儲容量為4組x16位（8M字節(jié)），工作電壓為3. 3V，常見封裝為54腳TSOP，兼容LVTTL接口，支持自動刷新（Auto-Refresh）和自刷新（Self-Refresh）， 16位數(shù)據(jù)寬度?？蓾M足運(yùn)行MicroC/OS操作系統(tǒng)、或者mClinux操作系統(tǒng)及各種相對較復(fù)雜的算法的運(yùn)行要求。

　　要在系統(tǒng)中使用SDRAM，要求微處理器具有刷新控制邏輯，或在系統(tǒng)中另外加入刷新控制邏輯電路。通過Altera公司提供的NIOS II開發(fā)工具可以將SDRAM控制器添加到NIOS CPU中，然后下載到EP1C12Q240C8中運(yùn)行，因此可以方便地使用EP1C12Q240C8的通用I/O口與SDRAM相連接，同樣在進(jìn)行系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)時(shí)通過Quartus II定義引腳。

　　2.4 外部接口模塊

　　2.4.1以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)采用realteck公司推出多年RTL8019AS網(wǎng)絡(luò)芯片。RTL8019AS芯片是一款應(yīng)用廣泛的10M網(wǎng)絡(luò)芯片，支持以太網(wǎng)II 和IEEE802.3 10Base5，10Base2，10BaseT、支持可編程輸出的4－診斷 LED。利用RTL8019AS可以在NIOS II系統(tǒng)中方便的建立起完整的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，可以通過網(wǎng)絡(luò)從FPGA芯片構(gòu)成的軟嵌入式系統(tǒng)中收發(fā)數(shù)據(jù)。

　　RTL8019AS與EP1C12Q240C8通過外部總線進(jìn)行連接。主要是把RTL8019AS的數(shù)據(jù)總線（SDO～SD15）、地址總線（SAO～SA5，SA8）、讀使能（IORB）、寫使能（IOWB）、中斷輸出信號（INTO）和中斷輸入信號（RSTDRV）與EP1C12Q240C8的通用I/O腳連接即可。

　　2.4.2 USB接口設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)采用Cypress公司的SL811HS芯片作為USB接口芯片，它是一種USB主機(jī)控制器，它能與全速或低速USB外圍設(shè)備通信。SL811HS能與各種微處理器、微控制器、FPGA以及DSP，ISA等各種總線進(jìn)行接口，適用于各種要求配置USB主機(jī)或設(shè)備的嵌入式系統(tǒng)。

　　在USB接口電路設(shè)計(jì)中，SL811HS的8位數(shù)據(jù)線直接和FPGA芯片的8位數(shù)據(jù)線相連。其中需要注意的是，SL811HS的AO引腳和低8位地址線的最低位AO相連，即與鎖存器的地址輸出端的最低位相連。

　　2.4.3 串行接口設(shè)計(jì)

　　RS232是應(yīng)用最為廣泛的UART接口，可以方便的實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通訊；同時(shí)在調(diào)試基于FPGA的嵌入式操作系統(tǒng)時(shí)候，可以作為輔助調(diào)試接口，結(jié)果輸出到主機(jī)的超級終端上面。因?yàn)镕PGA的通用I/O引腳可以在后期通過Quartus II軟件定義，所以只需選取EP1C12Q240C8的任意四個(gè)引腳與電平轉(zhuǎn)換器MAX3232C相連，通過MAX3232C 接RS232標(biāo)準(zhǔn)串行接口（DB9），可與PC機(jī)進(jìn)行串行通信。

　　2.4.4 電源接口設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)需要使用1.5V、3.3V和5V三種直流電源，其中，EP1C12Q240C8內(nèi)核使用1.5V電源，EP1C12Q240C8的I/O口、MAX3232C、LCD接口等器件使用3.3V電源，RTL8019AS使用5V電源。為簡化系統(tǒng)電源電路的設(shè)計(jì)，要求整個(gè)系統(tǒng)的輸入電壓為高質(zhì)量的5V直流電壓電源，本系統(tǒng)采用電壓轉(zhuǎn)換芯片B1117來得到1.5V和3.3V的電壓。

　　2.4.5 系統(tǒng)時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)時(shí)鐘模塊為試驗(yàn)系統(tǒng)提供時(shí)鐘信號，使其工作在指定的頻率下，是系統(tǒng)不可缺少的部分。本系統(tǒng)的時(shí)鐘信號由50MHz的有源晶振產(chǎn)生，為了使系統(tǒng)有穩(wěn)定的時(shí)鐘輸入，要對晶振的輸入電壓通過簡單的LC濾波電路做濾波處理，使其電壓更加穩(wěn)定，盡可能減小干擾。

　　2.4.6 復(fù)位電路設(shè)計(jì)

　　在系統(tǒng)中，復(fù)位電路主要完成系統(tǒng)的上電復(fù)位和系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)用戶的按鍵復(fù)位功能。本系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際需要，通過Quartus II軟件對復(fù)位信號進(jìn)行延時(shí)設(shè)計(jì)，然后在外部再加以需要簡單的電路來實(shí)現(xiàn)。

　　2.4.7 JTAG接口設(shè)計(jì)

　　JTAG（Joint Test Action Group）是一種國際標(biāo)準(zhǔn)測試協(xié)議，主要用于芯片內(nèi)部測試及對系統(tǒng)進(jìn)行仿真、調(diào)試 。JTAG技術(shù)是一種嵌入式調(diào)試技術(shù)，它在芯片內(nèi)部封裝了專門的測試電路，可以通過專用的JTAG測試軟件對芯片內(nèi)部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測試。EP1C12Q240C8有四個(gè)專用引腳TMS、TDI、TCK、TDO與Altera公司的專用下載電纜——Byte Blaster II通過一個(gè)十針的插座相連，用于下載以及在線調(diào)試。