許多 FPGA 設(shè)計(jì)使用嵌入式處理器進(jìn)行控制。一個(gè)典型的解決方案涉及使用 Nios 等軟處理器，盡管帶有內(nèi)置硬處理器的 FPGA SoC 也變得很流行。圖 1顯示了一個(gè)典型的 Altera FPGA 系統(tǒng)，它包含處理器和通過 Altera 的Avalon內(nèi)存映射 (MM) 總線連接的混合外設(shè) 。這些處理器大大簡化了終應(yīng)用程序，但需要強(qiáng)大的編程背景和復(fù)雜工具鏈的知識(shí)。這會(huì)阻礙調(diào)試，特別是如果硬件工程師需要一種簡單的方法來讀取和寫入外圍設(shè)備而無需糾纏軟件工程師。

    圖 1  使用 Avalon 內(nèi)存映射總線連接的典型 Altera FPGA 系統(tǒng)
    該設(shè)計(jì)理念使用 Altera 的SPI 從器件到 Avalon MM 橋接器來提供跳到 Avalon 總線上的簡單方法。這種技術(shù)有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：它不損害原來的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，橋可以與嵌入式處理器共存。對(duì)于圖 1所示的系統(tǒng)，SPI 橋允許工程師直接控制 LTC6948 小數(shù) N PLL 的頻率，設(shè)置 LTC1668 DAC 電壓，從 LTC2498 ADC 讀取電壓，或從 LTC2983 讀取溫度，就像處理器可以。
    Altera 為 SPI-Avalon MM 橋接器提供參考設(shè)計(jì)。不幸的是，文檔充其量是稀疏的，并且使用 Nios 處理器作為 SPI 主機(jī)。這實(shí)際上違背了 SPI 橋的目的，因?yàn)?Nios 可以直接連接到 Avalon MM 總線。一個(gè)實(shí)用的 SPI 主控制器是凌力爾特的Linduino 微控制器，它是一個(gè) Arduino 克隆，具有連接到 LT 演示板的額外功能。一項(xiàng)額外功能是電平轉(zhuǎn)換 SPI 端口。當(dāng)連接到電壓低至 1.2V 的 FPGA I/O bank 時(shí)，這種電平轉(zhuǎn)換功能特別有用。Linduino 固件可用于通過虛擬 COM 端口接受命令并將命令轉(zhuǎn)換為 SPI 事務(wù)。
    在對(duì) Altera 示例設(shè)計(jì)（圖 2的左側(cè)）進(jìn)行逆向工程后，開發(fā)了一個(gè) Python 庫來創(chuàng)建網(wǎng)橋可以接受的數(shù)據(jù)包。然后將這些數(shù)據(jù)包翻譯成 Linduino 命令。然后，Python 腳本允許硬件工程師完全控制項(xiàng)目，而無需重新發(fā)明接口協(xié)議。LinearLabTools Python 文件夾中提供了一個(gè)示例 Python 腳本，用于控制 LTC1668 DAC 的數(shù)字模式發(fā)生器的頻率。圖 3顯示了演示設(shè)置。

    圖 4顯示了系統(tǒng)框圖。請(qǐng)注意，數(shù)控振蕩器 (NCO) 可由移位寄存器或 PIO 內(nèi)核控制。包含移位寄存器用于調(diào)試，因?yàn)樗试S直接控制 NCO。將 GPIO 線設(shè)置為高電平可啟用 SPI-Avalon 橋接器，它進(jìn)而控制 Avalon 總線上的 32 位 PIO 端口。然后 PIO 輸出控制 NCO 頻率。

    圖4   FPGA系統(tǒng)框圖

    在基本系統(tǒng)運(yùn)行的情況下，可以將額外的外圍內(nèi)核連接到總線。為了設(shè)計(jì)系統(tǒng)，Altera 提供了一種名為 Qsys 的工具，它提供了一個(gè) GUI 來將 IP 相互連接。Qsys 將 GUI 設(shè)計(jì)的系統(tǒng)（圖 5）轉(zhuǎn)換為 HDL。外設(shè)地址是完全可配置的。在這種情況下，PIO 設(shè)置為基址 0x0。

    圖 5  Qsys GUI
    在 FPGA 中實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)后，LinearLabTools 中提供的 Python 庫包含兩個(gè)與設(shè)計(jì)接口的函數(shù)：
    transaction_write (dc2026, base, write_size, data)
    transaction_read (dc2026, base, read_size)
    這些函數(shù)的個(gè)參數(shù)是 Linduino 串行端口實(shí)例。第二個(gè)參數(shù)是外設(shè)在 Avalon 總線上的地址。這些函數(shù)分別接受和返回字節(jié)列表。這兩個(gè)函數(shù)的編寫是為了在寫入和讀取 IP 時(shí)提供靈活性。要為提供的示例設(shè)置 NCO，只需要transaction_write 函數(shù)。公式 1 用于確定調(diào)諧字。
    要以 50MSPS 采樣率將 NCO 設(shè)置為 1kHz，調(diào)整值為 85899 或 0x00014F8B，它作為四個(gè)字節(jié)的列表傳遞。因此，將 DAC 設(shè)置為 1kHz 的 python 代碼是：

    transaction_write (linduino_serial_instance, 0, 0, [0x0, 0x01, 0x4F, 0x8B])

    圖 6  Python Avalon 總線示例
    圖 6中的 Python 腳本說明了配置 NCO 的簡單文本界面。重要提示：橋接器使用 SPI 模式 3。這被痛苦地確定為正確的 通過反復(fù)試驗(yàn)?zāi)Ｊ?，并通過分析 Altera 示例中的 Nios 處理器的 SPI 接口進(jìn)行驗(yàn)證。
    該設(shè)計(jì)理念提供了在不接觸嵌入式處理器的情況下控制系統(tǒng)的能力，允許硬件工程師在不打擾軟件工程師的情況下推進(jìn)項(xiàng)目，并且對(duì)硬件設(shè)計(jì)的影響。