許多中等規(guī)模的可編程邏輯器件（PLD）設(shè)計(jì)，特別是控制方面的應(yīng)用，通過片上總線互聯(lián)一些接口至微處理器，這些微處理器可以是片上芯片或外部的。雖然每個(gè)接口往往是相對簡單的，構(gòu)建所有片上的互連和對它們進(jìn)行調(diào)試的任務(wù)可能會(huì)非常耗時(shí)和令人沮喪。越來越多的設(shè)計(jì)人員使用預(yù)設(shè)計(jì)的基于處理器系統(tǒng)的開發(fā)板來加快開發(fā)過程。

這種方法有幾個(gè)好處。首先，沒有必要裝配許多IP或構(gòu)建選擇的IP至片上總線的緩沖。此外，片上總線結(jié)構(gòu)不需要選擇和構(gòu)建。第二是沒有必要手工連接各種IP至片上總線。即使是本文中討論的相對較小的設(shè)計(jì)，使用約1000個(gè)查找表（LUT），對于頂層的連接大約需要300行的 Verilog代碼。第三，使用這種方法構(gòu)建硬件的時(shí)間大大減少。設(shè)計(jì)人員可能需要花數(shù)天時(shí)間來組成基本的硬件部分，并進(jìn)行所有重要的接口調(diào)試。一旦調(diào)試接口工作使設(shè)計(jì)已經(jīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，添加或刪除接口就變得非常簡單。此外，如果修改設(shè)計(jì)導(dǎo)致調(diào)試接口失敗，很容易返回到最近所知的成功設(shè)計(jì)版本。

典型的開發(fā)板

這里以開發(fā)環(huán)境為實(shí)例，允許設(shè)計(jì)人員用預(yù)先設(shè)計(jì)的系統(tǒng)作為起點(diǎn)，然后修改它來構(gòu)建自己的樣機(jī)，在將它移植到最終的系統(tǒng)之前使用萊迪思的MachXO迷你開發(fā)板。雖然適用于許多應(yīng)用場合，這個(gè)電路板最適用于控制設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)往往用小型的非易失可編程邏輯器件來實(shí)現(xiàn)。圖1說明了典型的用可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)控制應(yīng)用的功能。

圖1用可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)的典型控制功能

迷你開發(fā)板的中心是MachXO2280非易失、基于閃存的擁有2280個(gè)LUT邏輯實(shí)現(xiàn)的可編程邏輯器件。圖2展示了MachXO迷你開發(fā)板，并對主要接口加了注釋。這個(gè)電路板提供五種主要的功能：

1、通過發(fā)光二極管組、擴(kuò)展端、DIP開關(guān)和按鈕開關(guān)提供GPIO和狀態(tài)指示器。

2、 SPI閃存和I2C溫度傳感器用作這些常用串行接口的例子。

3、SRAM內(nèi)存提供了額外的便箋式存儲(chǔ)器。

4、通過USB的RS232提供了一個(gè)調(diào)試接口。

5、通過USB的JTAG用作對器件編程的接口。

對于開發(fā)過程而言，通過USB接口至RS232的方式和通過USB至 JTAG的方式是至關(guān)重要的。利用這兩個(gè)小的“B”型的USB連接器，可以通過電纜連接到任何個(gè)人電腦的USB接口。一旦加載適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)程序（適用于Windows XP及更高版本），通過USB接口至JTAG的方式允許萊迪思的ispVM軟件對所需修改設(shè)計(jì)的MachXO進(jìn)行編程。采用相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，通過USB接口至RS232的方式對通過USB至RS232的方式進(jìn)行仿真。驅(qū)動(dòng)程序包括Linux的最新版本，也可用于Windows XP及更高版本。串行端口只作為主機(jī)的“COM”端口。此接口為片上設(shè)計(jì)提供了一個(gè)簡便的方法，用于發(fā)送狀態(tài)及適當(dāng)修改、調(diào)試信息至主處理器。

圖2 MachXO迷你開發(fā)板

預(yù)測試的片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)

迷你開發(fā)板加速開發(fā)的關(guān)鍵是采用預(yù)開發(fā)的，預(yù)加載的片上系統(tǒng)（SOC）設(shè)計(jì)，可以作為用PLD實(shí)現(xiàn)控制功能的起點(diǎn)。下面是一個(gè)典型的開發(fā)流程和相關(guān)的時(shí)間，假設(shè)相應(yīng)的軟件工具和驅(qū)動(dòng)程序已被加載至PC主機(jī)：

1、驗(yàn)證硬件和接口的正常運(yùn)行如所期望的那樣。（通常為5分鐘。）此刻設(shè)計(jì)人員已經(jīng)了解了硬件情況。

2、確認(rèn)可以使用ispVM編程軟件將FPGA配置文件再次載入MachXO。 （通常為5分鐘。）

3、使用ispLEVER設(shè)計(jì)軟件重新編譯設(shè)計(jì)，并確認(rèn)所產(chǎn)生的配置如預(yù)期的情況工作。 （通常為10分鐘。）此時(shí)，設(shè)計(jì)者有一個(gè)已知的良好起點(diǎn)。

4、首先修改設(shè)計(jì)，重新編譯并加載新的配置。（通常是60分鐘，但實(shí)際的時(shí)間取決于所修改的量。）

按照這個(gè)開發(fā)流程，初始開發(fā)需要幾個(gè)星期的時(shí)間可以減少到數(shù)小時(shí)。SoC設(shè)計(jì)的概況如圖3所示?？梢钥吹皆O(shè)計(jì)由六個(gè)接口和一個(gè)微處理器組成，并通過一個(gè)片上總路線聯(lián)在一起。

圖3 MachXO迷你板預(yù)裝載了SOC設(shè)計(jì)

這個(gè)設(shè)計(jì)的中心是片上總線。使用WISHBONE標(biāo)準(zhǔn)：WISHBONE是一個(gè)開放源代碼的總線標(biāo)準(zhǔn)，為SOC設(shè)計(jì)提供了一個(gè)理想的基本結(jié)構(gòu)。WISHBONE標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：

· WISHBONE是開放源代碼，所以可以用于各種FPGA或ASIC。

· 有大量的適用于WISHBONE接口開放源碼IP。

· 簡單但靈活的定義使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)π阅艿膹?fù)雜性進(jìn)行平衡。

由于許多用于控制的可編程邏輯器件的性能要求相對較低，Wishbone總線是與主微處理器作為主器件（master）的共享總線。地址總線有24位，保留的前3位用于產(chǎn)生從器件的選擇信號(hào)。

LatticeM

ico8（參考設(shè)計(jì)RD1026）和相關(guān)的WISHBONE適配器（RD1043）用于構(gòu)成設(shè)計(jì)核的處理器。Mico8具有開放源代碼的優(yōu)點(diǎn)。這是非常重要的，因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員通常要為嵌入式處理器開發(fā)大量的代碼。LatticeMico8開放源代碼的性質(zhì)意味著它可以在各種FPGA或ASIC中實(shí)現(xiàn)，保護(hù)了嵌入式代碼的投資。

Mico8有8位的數(shù)據(jù)通道，18位寬的指令和16或32個(gè)通用寄存器。外部存儲(chǔ)器是分頁的，前面的8位地址包含在相關(guān)操作碼中。用R15和R16寄存器控制地址總線的其他16位。程序存儲(chǔ)器可以設(shè)置成512和4096之間的深度。在這種情況下，使用18位寬可達(dá)1024深度。程序存儲(chǔ)器存儲(chǔ)在兩個(gè)嵌入式RAM塊（EBR.）中，這些可以被初始化為器件啟動(dòng)時(shí)所需的內(nèi)容。請注意，每個(gè)MachXO EBR支持9位字節(jié)，深度達(dá)1024。Mico8大約使用300個(gè)LUT。

通過修改匯編清單可以很容易地生成針對Mico8的新代碼，匯編清單是作為項(xiàng)目文件的一部分。于是通過修改后的代碼可以LatticeMico8工具鏈和生成的相應(yīng)HEX文件。ispLEVER工具可以使用這些HEX文件，合適地初始化EBR用于編程的存儲(chǔ)。Mico8工具鏈也是開放源代碼，可從萊迪思網(wǎng)站下載源代碼以及可執(zhí)行文件。

其他的EBR存儲(chǔ)器連接到Wishbone總線。這個(gè)EBR配置成1024深度 8位字節(jié)。針對通過RS232接口的Mico8顯示的各種菜單，存儲(chǔ)空間是用來共享數(shù)據(jù)。

SPI接口利用了萊迪思的SPI WISHBONE控制器參考設(shè)計(jì)（RD1044）的修改版本。 SPI接口連接外部2兆位的SPI閃存至Wishbone總線。如果需要的話，SPI WISHBONE控制器可以用來控制多達(dá)8個(gè)從器件（slave）。盡管在這種情況下使用了8位寄存器，接收和發(fā)送寄存器可配置為1到32位長度，。寄存器是雙緩沖的，當(dāng)微處理器服務(wù)響應(yīng)中斷請求以清除其他緩沖區(qū)時(shí)，允許接收或發(fā)送數(shù)據(jù)。這個(gè)參考設(shè)計(jì)大約使用了113個(gè)LUT。這個(gè)I2C接口使用了Wishbone總線接口的萊迪思的I2C主器件（master）參考設(shè)計(jì)（RD1046）。這個(gè)設(shè)計(jì)支持7位或10位尋址模式和一個(gè)8位接收/發(fā)送緩沖器。I2C參考設(shè)計(jì)大約使用了234個(gè)LUT。

UART的設(shè)計(jì)采用了Lattice WISHBONE UART參考設(shè)計(jì)（RD1042.）。這個(gè)設(shè)計(jì)用類似常用的獨(dú)立NS16450 UART功能實(shí)現(xiàn)了一個(gè)靈活的UART。設(shè)計(jì)占用大約291個(gè)LUT的資源。 SRAM接口相對比較簡單，是針對這個(gè)項(xiàng)目的代碼。這是一個(gè)簡單的WISHBONE外設(shè)的很好的例子。

整合所有的一切

MachXO迷你開發(fā)板的目標(biāo)是為了加快小的、非易失FPGA設(shè)計(jì)的開發(fā)速度。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，所有在本文中討論的關(guān)于系統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)的信息可作為一個(gè)軟件包從萊迪思網(wǎng)站上下載。而且，除了文件和源文件，針對所討論的SoC設(shè)計(jì)，還提供了一個(gè)完整的ispLEVER項(xiàng)目，以及TransFR和使用睡眠模式以減少功耗的演示。提供的信息包括項(xiàng)目文件和所有必要的優(yōu)先選擇和約束，以便在第一時(shí)間編譯設(shè)計(jì)。

因此，如果要對你系統(tǒng)中的PLD控制設(shè)計(jì)進(jìn)行全面的修改，請仔細(xì)看看這個(gè)開發(fā)系統(tǒng)和預(yù)測試的設(shè)計(jì)。它可以為你的下一個(gè)設(shè)計(jì)節(jié)省幾周的時(shí)間。

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