基于FPGA芯片为核心实现通用实验系统的软硬件设计

1　引言

随着FPGA技术的不断发展和EDA工具软件的完善，在FPGA芯片上实现的各种复杂算法和构建SOPC系统成为研究的热点。在很多科研和教学开展的实验中，都需要为大规模FPGA芯片提供高速的计算机接口以及各种功能部件模块。目前市场上有不少FPGA实验系统，但由于受目标芯片容量、接口、功能部件模块等方面的限制无法满足科研和教学需要。针对研究项目以及对参与项目研究学生培训的需求，我们设计了一套通用的FPGA实验系统，该实验系统以大规模FPGA芯片为核心，带有通用的计算机接口以及丰富的板上功能扩展部件，能较好地满足我们项目研究的需求，并可用于产品开发的原型验证、IC 前端设计验证，IP核验证以及EDA课程实验教学等，同时也可作为高速多通道逻辑分析仪使用。

2　实验系统的设计思想

为使实验系统达到通用性的目的，系统上的FPGA芯片应可通过PCI、USB、串行、RJ45（网络）和计算机交换数据，并扩展FLASH、SRAM、SDRAM、JTAG、AS/PS口以及配置芯片等功能部件。为满足学生研究和实验的需要，我们把卡上的FPGA剩余IO引脚扩展到一块教学实验用板中，教学实验板带有A/D、D/A、LCD、数码管、发光二极管、时钟系统、键盘、VGA、PS/2、RAM/ROM、单片机等实验功能模块。

图1：FPGA实验系统的整体框图

3 系统的软硬件设计

本实验系统有多种计算机接口，都采用了成熟的接口芯片，驱动程序由芯片厂家提供，直接调用其上的接口函数实现计算机和实验系统的数据传输。RS232接口设计中用一块LTC1386CS芯片实现电平转换后TXD、RXD信号直接连接到FPGA的IO引脚，USB接口芯片用ISP1581BD，PCI桥接芯片用PLX9054，网络接口芯片用LAN91C111，由于这些接口及相关程序的设计方法有很多共同的地方，因此我们主要介绍PC接口部分中的PCI－FPGA的设计。

3.1 PCI－FPGA硬件设计

PCI－FPGA部分的电源包括3.3V和1.5V两种电压，1.5V（VCORE）用于EP1S20F672的内核电源（VCCINT），除此之外其它电源都由3.3V（VIO）提供。3.3V电源直接从PCI插槽获取，1.5V电源则通过凌特公司的LT1764AEQ－1.5稳压芯片获得。PCI插槽部分的设计主要是如图2所示把对应信号和9054连接好，另外还需注意把PRSNT1#和PRSNT2中的至少一个接地，目的是让主机认出本PCI设备的存在。工作模式用C模式，配置芯片用的SPROM　93CS66，配置信息参照厂家推荐［1］。

3.2　PCI接口软固件及测试结果

9054的SDK（软件开发套件）提供9054的驱动程序和各种9054的接口访问函数，在此基础上我们开发了几个应用程序接口函数（调用失败返回0，否则返回非0）：

int OpenSGLDMAChannel_0（HANDLE hDevice）;　　//打开传输通道

int CloseSGLDMAChannel_0（HANDLE hDevice）; 　//关闭传输通道

int SglDma_Transfer（ //用Dma方式传输数据

HANDLE hDevice， //设备号

U8 *sendDmaBuffer， //传输缓冲区首地址

U32 LocalAddress， //局部总线首地址

U32 DataLength， //数据块长度

unsigned int direction 　 //0： PC to Card; 1： Card to Pc ）;

int Single_ReadWrite（ //用单字节方式传输数据

HANDLE hDevice，

U8 *pdata，

int datalength，

DWORD localaddress，

unsigned int direction //0： PC to Card; 1： Card to Pc ）;

9054局部总线中LHOLDA和READY是输入信号（如图3），其余都为输出。当9054向局部总线写时，LHOLD信号由低转高， LHOLDA应由低转高以响应9054，9054输出ADS为低电平时表示LA上已经出现有效地址，当READY为低电平时，LD上每个周期传输一个数据。当传输到最后一个数据时9054输出BLAST一个周期的低电平，接着LHOLD变为低电平，等LHOLDA也变低则一次DMA传输结束。

我们按以上所述设计并加工了PCI卡，利用FPGA片上的RAM作为输入和输出FIFO，局部总线时钟为50MHz，主机把内存中的数据通过DMA传输方式把数据写入FPGA上的FIFO中。FIFO的深度为1KByte时PCI的传输速度为360Mbps，当FIFO的深度为100Kbytes时，其传输速度达到916Mbps。

4 实验系统的应用

实验系统接口部分研制成功后，主要起以下作用。

4.1 逻辑分析仪

以9054局部总线调试为例，本实验系统（EP1S20F672C7）可作逻辑分析仪使用。首先用VHDL按9054局部总线时序设计好传输数据控制器并综合，接着用QuartusII5.0建立SignalTap文件并设置监测信号及触发条件，编译下载到FPGA中，然后便可进行逻辑分析。以ADS上升沿作为触发条件，BLAST上升沿作为结束条件，对地址线LA［31:0］、数据线LD［31:0］、ADS、LW/R、LHOLD、LHOLDA、READY、BLAST等70路数据DMA传输时进行逻辑分析，其结果如图3所示。

根据综合结果，作为逻辑分析仪，本系统支持最高频率超过220MHz，可对从预留的128个IO口输入的数据进行逻辑分析，存储深度超过1.6Mbits。除可通过QuartusII5.0提供的SignalTap功能对信号分析处理外，也可以把从IO口接收到的数据通过PCI或USB接口传输给主机，然后通过主机编程［3］实现对数据的分析处理。

4.2 密码协处理器

本实验系统作为密码算法协处理器使用的逻辑框图如图4所示。以用3DES对一段长消息加密为例，主机分别将控制、模式和密钥等数据送到协处理器的指定寄存器中，接着把明文送到FIFO中，然后待协处理器处理好数据后接收结果。协处理器根据控制、模式等设定，把FIFO中的32位数据转换成分组块，然后启动密码运算模块，处理完一个分组块后再把结果转换并写到FIFO中，并设置状态寄存器，一直到所有数据处理完毕。

由于受到PCI接口传输速率的限制，作为协处理器本实验系统的最大处理速度低于460Mbps（数据进和出）。通过对3DES、AES、SHA1等算法的研究与实现，本实验系统可作为超过400Mbps的协处理器，用于GF（2163）上ECC点乘则可超过3400次/S。

4.3　LEON核的验证

Leon CPU核［4］是公开源代码的32位RISC嵌入式处理器，完全实现了SPARC V8指令体系，可以根据用户的需要对其功能进行剪裁。该处理器由可综合的VHDL代码描述，可在FPGA中实现，并且已经成功流片30次以上。其性能、功耗及配套工具虽比不上MIPS和ARM，但0.85MIPS/MHz的处理速度（Dhrystone2.1测试平台），对嵌入式Linux， eCos， Thumbpod（java）， SnapGear等多种嵌入式操作系统的支持，免费获取VHDL源代码与其配套的交叉编译工具、主机调试工具以及嵌入式操作系统是其优势所在。

在我们的实验中Leon2 CPU核使用9830个LE，系统时钟频率达到40MHz以上。

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