基于FPGA的SDX總線與Wishbone總線接口設計

劉 娟，張智鵬

(西安電子科技大學電子工程學院，陜西西安 710071)

隨著微電子設計技術與工藝的迅速發展，數字集成電路逐步發展到專用集成電路(ASIC)，其中超大規模、高速、低功耗的新型FPGA的出現，降低了產品的成本，提高了系統的可靠性。同時，各種電子產品的復雜度和現代化程度的要求也逐步提高，文中針對機載信息采集系統的可靠性、數據管理的高效性以及硬件成本的需求。設計實現了與Wishbone總線［1］SDX總線［2］的接口轉化，完成了數據采集功能模塊與SDX總線協議之間的數據傳輸。

該設計主要采用硬件描述語言 Verilog HDL［4－5］在可編程邏輯器件FPGA上實現，由于數據采集功能模塊繁多，而Wishbone總線可以與任何類型的ROM或RAM相連，因此需在SDX總線與數據采集模塊中嵌入Wishbone總線，使得整體設計簡單、靈活，且數據能夠高效、快速的傳輸。

1 SDX總線協議

1.1 SDX總線結構

SDX總線［2］屬于非平衡配置的點對點和多點鏈路，站點類型分為主站和從站，其數據傳輸方式為非平衡配置的指令/響應方式。與國際標準化組織ISO制定的開放系統互聯模型OSI/RM相比，參考模型只分為3層:物理層、數據鏈路層和應用層，如圖1所示。

圖1 SDX參考模型與OSI/RM的對應關系

1.2 字格式及其各位場的含義

SDX總線采用面向消息的傳輸控制規程作為通信協議，選用曼徹斯特Ⅱ雙相電平編碼，總線最大傳輸速率20 Mbit·s－1，字長為20 位?？偩€傳輸速率 20 Mbit·s－1時，每字占1 μs。規定每次傳輸一個消息的過程應包括指令字、數據字和狀態字幾個部分。每種字的字長為20位，有效信息位為16位，每個字的前3位為單字的同步字頭，而最后一位是奇偶校驗位。同步字頭的作用是標識每個字的開始，起字同步作用。奇偶校驗采用奇校驗，在發送端對16位有效位補齊，而在接收端進行奇校，用于檢驗字傳輸中有無錯誤。需要指明的是:無論是何種字類型，各場的數據總是高位(MSB)傳輸在先。

(1)指令字結構。

指令字只能由主站發送，它的內容指明主站要與哪個從站對話，規定了該次數據傳輸的地址方向和服務類型。其格式如圖2所示。

圖2 數據傳輸的地址方向和服務類型格式

方向和服務類型

1～3位:同步字頭(SYN)，前1.5位為101，后1.5位為000時標識指令字或狀態字。

4～13位:10 bit遠程模塊地址(RA［9:0］)，全“0”時為廣播地址，其余為各遠程模塊地址。

14位:讀寫控制位R。該位為“1”時，表明主站要從被尋址的從站中讀取數據;為“0”時，表明主站要從被尋址的從站中寫入數據。

15～18位:當 RA［9:0］為非全“0”時，EP［3:0］有效。需要強調的是:當RA［9:0］為非全“0”，端點地址為全“0”時，該地址為從站的系統管理訪問地址。

19位:狀態字指示位S，當該位為“0”時，表明有效字為指令字;當該位為“1”時，表明有效字為狀態字。

20位:奇偶校驗位(P)，該字的奇偶校驗位，奇校驗有效。

(2)數據字結構。

數據字既可以由主站傳送到從站，也可以由從站傳送到主站。數據字的格式如圖3所示。

圖3 數據字格式

1～3位:前1.5位為101，后1.5位為111時標識數據字。

4～19位:16 bit長數據(DATA［15:0］)，高位(MSB)傳輸在先。

20位:奇偶校驗位(P)，該字的奇偶校驗位，奇校驗有效。

(3)狀態字結構。

狀態字只能由從站發出，是對主站發出的有效命令的應證性信號，是通信中進行差錯控制和流量控制的重要手段。狀態字格式如圖4所示。

圖4 狀態字格式

1～3位:同步字頭(SYN)，前1.5位為101，后1.5位為000時標識指令字或狀態字。

4～13位:10 bit從站的地址(RA［9:0］)。

14～18位:狀態代碼，表示響應模塊的通信狀態。

19位:狀態字識別位(S)，當有效字為狀態字時，該位為“1”。

20位:奇偶校驗位(P)，該字的奇偶校驗位，奇校驗有效。

表1 狀態代碼描述

注釋1，只有滿足下列判據才認為傳輸中不存在錯誤:(1)“字有效”，這是指都以有效的同步字頭開始，并且除去同步字頭之外其余的都是有效的雙相碼，有效信息是 16位，奇偶校驗位一位，且奇校驗。(2)“消息有效”，這是指在一次傳輸中，如果存在一個數據塊，那么在指令字與數據字之間，在數據字與數據字之間，消息是連續的，不存在任何“斷裂”的情況。(3)“指令有效”，這是指在指令字和數據字各場中不存在非法數據，同時發出的數據塊長度應與設置長度相等。如果以上3個判據中有任何一個得不到滿足，則消息錯誤位置位。

注釋2，由于廣播消息格式要求禁止從站發回狀態字，為了解上一個廣播指令是否已被從站有效接收，可使用專門的命令類型讓某個從站發回狀態字，如此位置成“1”，而且忙位置成“0”，即說明上一個指令的確是廣播指令，已被該從站有效接收。

2 Wishbone總線協議

Wishbone總線是一種內部總線協議［1］。它可以將片內的各部分以及IP核等連接在一起，用來標準化各個獨立部分的接口，以更加方便地架構SOC(Syctemon－Chip)系統。其特點是結構簡單、靈活，只需要少量的邏輯門即可實現，同時完全免費、公開［1］。

Wishbone總線規范中，使用Master/Slave結構實現靈活的系統設計，Master/Slave有4種互連方式，分別為點對點、數據流、共享總線和交叉互連。且Master和Slave之間使用握手協議，當準備好數據傳輸時，Master使STB_O有效，且一直保持到Slave的響應信號ACK_O，ERR_O，或RTY_O之一有效。Master在每個時鐘的上升沿對響應信號采樣，若該信號有效，則置低STB_O，如圖5所示。

圖5 握手時序

2.1 Wishbone總線基本傳輸周期

Wishbone總線支持完整的普通數據傳輸協議，包括單個讀寫周期、塊讀寫周期等。數據總線寬度為8～64位，地址總線寬度最高可達64位。Wishbone數據總線和地址總線分離，在傳輸上，保持一個地址、一個數據的傳輸結構。以下為Wishbone總線單次讀、寫時序圖。圖6為單次讀周期時序，圖7為單次寫周期時序。

圖6 單次讀操作時序

3 系統設計與實現

圖7 單次寫操作時序

系統所有控制邏輯均在Altera的CycloneⅢ系列FPGA(EP3C40F)上實現。FPGA的信號線只有系統時鐘、串行輸入數據，由于SDX總線中傳輸數據為曼徹斯特碼型，因此需將曼徹斯特碼解碼為BCD碼同時將串行輸入數據轉化為并行數據，將轉化后標準的16位并行BCD碼輸入SDX模塊對SDX協議響應，將需要數據讀、寫的消息響應同時產生數據讀、寫以及地址信號并發起Wishbone總線操作，實現在Wishbone總線上高效的數據傳輸。Wishbone總線主要使用點對點的互聯方式，將Wishbone總線中Master模塊中的輸出信號直接連接到Slave模塊，其優點是多個數據可以并行處理，從而提高系統的整體數據處理能力。系統的整體設計框圖如圖8所示。

圖8 系統整體設計框圖

4 仿真結果分析

為驗證設計系統的性能，使用Modelsim6.2仿真軟件對系統功能進行了仿真測試。

圖9為Wishbone總線寫操作，且為單字寫傳輸，在時鐘上升沿，Master將DAT_O、ADR_O信號放到數據、地址總線上，將CYC_O、STB_O、WE_O置高表示寫傳輸開始，在下一個時鐘沿到達之前，Slave檢測到Master發起的操作，將ACK_O、ERR_O、RTY_O之一置高并傳輸到Master中，若Master檢測到ACK_I為高時，在下一個時鐘的上升沿將CYC_O、STB_O置低表示操作完成，若ERR_I為高，則表示該操作錯誤，取消此操作，進行下一步操作，若RTY_I表示Slave總線忙，則重試。

圖9 wishbone寫操作仿真圖

圖10為Wishbone總線讀操作，且為單字讀傳輸，在時鐘上升沿，Master將ADR_O信號放到地址總線上，WE_O保持為低，同時將CYC_O、STB_O置高表示讀傳輸開始，在下一時鐘沿到達之前，Slave檢測到Master發起的操作，將ACK_O、ERR_O、RTY_O之一置高并傳輸到Master中，同時將適當的數據傳輸到Master的DAT_I中，若Master檢測到ACK_I為高時，在下一個時鐘的上升沿將CYC_O、STB_O置低表示該次讀操作完成，若ERR_I為高，則表示該操作錯誤，則取消此操作，進行下一操作，若RTY_I表示Slave總線忙，則重試。

圖10 Wishbone讀操作仿真圖

5 結束語

討論了基于FPGA的SDX總線與Wishbone總線的接口轉換，并介紹了不同總線的接口標準與時序，通過在Modelsim下的仿真，Quartus中綜合，可下載到FPGA中進行調試，實現了系統的整體性能，從而保證了系統快速、高效的傳輸。

［1］Siiicore.WISHBONE System －on－Chip(SoC)Interconnection Architecture for Portable IP Cores.Revision:B.2［M］.USA:Siiicore，2001.

［2］敬笑.機載分布式信息采集系統的設計與實現［D］.西安:西安電子科技大學，2010.

［3］杜慧敏，李宥謀，趙全良.基于Verilog的FPGA設計基礎［M］.西安:西安電子科技大學出版社，2006.

［4］劉福奇，劉波.Verilog HDL應用程序設計實例精講［M］.北京:電子工業出版社，2009.

［5］劉遠峰.基于FPGA的曼徹斯特編解碼器設計與實現［J］.現代計算機:專業版，2010(12):88 －90.

［6］徐江豐，張涌，湯心溢，等.基于Wishbone－PCI Bridge核的紅外圖像高速采集系統［J］.激光與紅外，2006，35(6):713－716.

［7］Altera Conpration.CycloneⅢ Device Handbook［M］.USA:Altera Conpration，2007.