SEP3203處理器是由東南大學國家專用集成電路系統(tǒng)工程技術研究中心設計的16／32位RISC微控制器,，面向低成本手持設備和其他通用嵌入式設備,。該處理器內嵌ARM7TDMI處理器內核，為用戶提供了面向移動終端應用的豐富外設,、低功耗管理和低成本的外存配置,，整個芯片可以運行在75 MHz,。數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)使用的主要功能模塊如下：20 KB片上零等待靜態(tài)存儲器(eSRAM)；外部存儲器接口控制器(EMI),；中斷控制器(INTC),；DMA控制器(DMAC)。

系統(tǒng)中使用的FPGA為Altera公司的Cyclone系列中的EP1C6Q240C8,，擁有豐富的I／O資源和邏輯資源,，外部接口遵循SRAM時序。它主要負責提供信號的A／D采樣頻率,，并將A／D轉換后的數(shù)據(jù)存儲到一組FIFO中,，待FIFO的FF(Full Flag)端口有效后，將FIFO中的數(shù)據(jù)讀回,，同時使能另一組FIFO的寫時序,，實現(xiàn)了信號不間斷的采樣和存儲。

FPGA將一組數(shù)據(jù)處理完畢后,，以中斷的方式通知SEP3203,，處理器以DMA方式將運算后的結果存儲到片外的SDRAM中。由于數(shù)據(jù)寫滿FIFO的時間大于FPGA處理數(shù)據(jù)的時間,，所以整個系統(tǒng)實現(xiàn)了流水線操作,。

1系統(tǒng)的總體設計[1-2]

系統(tǒng)硬件主要由信號采集模塊、FIFO,、FPGA和SEP3203處理器組成,。信號采集模塊主要包括信號接收器和A／D轉換模塊。接收到的信號首先要通過NE5534進行放大,，NE5534采用±5 V供電,。圖1為系統(tǒng)總體框圖。

系統(tǒng)中的A／D轉換芯片使用了ADI公司的AD1672,，它采用4級流水線結構，在3 Msps采樣速度下精度為12位,。FIFO選用了IDT公司的IDT7202,。它具有輸入和輸出兩套數(shù)據(jù)線，獨立的讀／寫地址指針在讀／寫脈沖的控制下順序地從雙口FIFO讀／寫數(shù)據(jù),，讀／寫地址指針均從第一個存儲單元開始,，直到最后一個存儲單元，然后又回到第一個存儲單元,。為了支持9位數(shù)據(jù)寬度的存儲,，系統(tǒng)采用了2片IDT7202將數(shù)據(jù)寬度擴展為16位，共使用了4片IDT7202實現(xiàn)了FIFO的協(xié)同工作,。在系統(tǒng)工作時,，IDT7202內部的仲裁電路通過對讀指針和寫指針的比較,，相應給出FIFO的空(EF)和滿(FF)狀態(tài)指示；FPGA可以根據(jù)所獲得的FIFO狀態(tài)標志控制FIFO的讀／寫時序,，實現(xiàn)對FIFO的讀／寫操作,。

Cyclone系列的FPGA支持多種I／O電平標準，包括3．3 V,、2．5 V和1．8 V的LVTTL和LVCMOS電平,。SEP3203處理器的I／O電平為3．3 V，與工作在3．3 V的FPGA電平兼容,，可以直接相連,。由于FIFO必須是5 V供電，所以FPGA將數(shù)據(jù)從FIFO讀入內部存儲器時,，需要經(jīng)過一個電平轉換芯片,。系統(tǒng)選用了IDT公司的IDT74LVC16245，它支持8／16位數(shù)據(jù)的雙向傳輸,。

2 SEP3203與FPGA的接口電路設計

2．1 硬件設計[3]

系統(tǒng)中的FPGA輸入時鐘由外部晶振提供,，為20MHz。FPGA的復位信號通過SEP3203的I／O口實現(xiàn),。本系統(tǒng)有2個觸發(fā)信號：硬件觸發(fā)信號和軟件觸發(fā)信號,。硬件觸發(fā)信號低電平有效，軟件觸發(fā)信號高電平有效,。首先,，SEP3203處理器產(chǎn)生復位信號復位FPGA內部的邏輯電路；當FPGA檢測到任何一個有效觸發(fā)信號后,，會按照SEP3203處理器配置的分頻因子,，將in_clk分頻后輸出div_clk給A／D采樣電路。硬件實現(xiàn)框圖如圖2所示,。

A／D采樣數(shù)據(jù)在采樣時鐘有效后短時間內可能會是無效的,，所以SEP3203要配置一定的延時值給FPGA。當延時滿足后,，F(xiàn)PGA才將FIFO的寫時序輸出到IDT7202的寫端口,。確保采集到的數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)。

圖3是SEP3203處理器輸入到FPGA內部的控制信號的仿真波形圖,。in_rst_n_a是復位信號,，in_we_n和in_cs_n是SEP3203的寫信號和片選信號。系統(tǒng)中FPGA接到了處理器的CSB片選上,，該片選的地址映射默認為0x24000000～0x27FFFFFF,，in_addr是地址線，in_data為輸入數(shù)據(jù)。這里將延時設為2,，分頻因子設為10,，之后通過往地址0x24000804寫1，用軟件使能系統(tǒng),。in_trig為硬件觸發(fā)信號,。

2．2軟件設計[4]

一旦軟件使能系統(tǒng)，F(xiàn)PGA就會輸出div_clk給A／D采樣電路,。div_clk可以通過軟件靈活配置,，這里Div_clk為1 MHz。

3 FPGA與FIFO的數(shù)據(jù)通信接口設計

在FPGA與FIFO數(shù)據(jù)通信接口設計中,，F(xiàn)PGA主要輸出控制時序到IDT7202的復位,、寫和讀端口，實現(xiàn)A／D轉換數(shù)據(jù)到FIFO的存儲,，并將數(shù)據(jù)從FIFO讀入FPGA的內部存儲器,。一旦延時滿足，F(xiàn)PGA就輸出寫時序給FIFO的寫端口(nW),，同時檢測FIFO的nFF(Full Flag)信號,。若該信號為低，則說明FIFO已經(jīng)寫滿1 024個半字(16位),。此時,，F(xiàn)PGA輸出讀時序給該組FIFO，同時輸出寫時序給另一組FIFO,，以不間斷地存儲A／D采樣數(shù)據(jù),。

這部分電路在硬件實現(xiàn)上比較簡單，IDT7202的輸出數(shù)據(jù)通過電平轉換芯片IDT74LVC16245輸出給FPGA,，F(xiàn)PGA輸出控制時序到FIFO,。由于FPGA輸出邏輯"1"時的最低電壓Uoh為2．4 V，輸出邏輯"0"時的最高電壓Uol為0．4 V,，而IDT7202輸入邏輯"1"時的最低電壓為2．2 V,，輸入邏輯"0"時的最高電壓為0．8 V，所以FPGA到FIFO的控制時序無須進行電平轉換,，控制端口可以直接相連,。

系統(tǒng)中FPGA輸出完全符合FIFO讀寫時序的脈沖，控制FIFO的讀寫操作,。圖4是仿真波形圖。

IDT7202的異步讀寫操作時序如圖5所示,。

表1是IDT7202異步讀寫操作時序的參數(shù)及說明,。

當FPGA檢測到in_ff_n_1為低時，fifo_ff_pulse就產(chǎn)生一個50 ns的高脈沖；檢測到該脈沖后,，out_wr_n_1持續(xù)高電平,，out_rd_n_1輸出有效讀時序；同時out_wr_n_1輸出有效寫時序,。寫時序以1 MHz的頻率輸出持續(xù)100ns低電平的脈沖,；讀時序低電平持續(xù)100 ns，高電平持續(xù)50 ns,。FPGA根據(jù)out_FPGA_rd信號來采集FIFO輸出的數(shù)據(jù),。

4 SEP3203與FPGA的數(shù)據(jù)通信接口設計

數(shù)據(jù)經(jīng)FPGA做算法處理后，由SEP3203處理器將結果存儲到片外SDRAM中,，SDRAM使用的是Winbond公司的W981216BH,。硬件實現(xiàn)框圖如圖6所示。

SEP3203對FPGA的訪問遵循SRAM時序,，圖7為SEP3203讀數(shù)據(jù)時的信號仿真波形圖,。

通過DMA方式傳輸數(shù)據(jù)時，in_cs_n和in_rd_n信號一直為低,，所以只有通過in_addr信號來控制FPGA的內部存儲器地址,。處理后的A／D數(shù)據(jù)擴展為32位。

SEP3203處理器默認的AHB總線寬度是32位,。當使用DMA傳輸時,，源和目的數(shù)據(jù)可以是不同的寬度，可以等于或小于總線的物理寬度,，DMAC會對數(shù)據(jù)進行適當?shù)拇虬徒獍?，以滿足AHB總線寬度。由于FPGA與SEP3202處理器之間只有16位數(shù)據(jù)總線,，所以設計中源地址數(shù)據(jù)寬度設為16位,，目的地址數(shù)據(jù)寬度設為32位。程序如下：

5性能分析

為了實現(xiàn)系統(tǒng)的流水線操作,，使用了EP1C6Q240C8中的PLL模塊,。FPGA的外部晶振頻率為20 MHz，PLL提供70 MHz的時鐘,，主要用于A／D數(shù)據(jù)的處理和結果輸出,。采集1 024個16位數(shù)據(jù)的時間為(1／div_clk)×1024，數(shù)據(jù)從FIFO讀入到結果輸出的時間為580μs左右,，所以當用1．7 MHz以下的頻率采樣A／D數(shù)據(jù)時,，系統(tǒng)工作正常。若需要更高的A／D采樣頻率,，則可通過優(yōu)化數(shù)據(jù)處理過程來實現(xiàn),。

另外,，為了提高軟件的執(zhí)行速度，將代碼放在SEP3203處理器的eSRAM中執(zhí)行,。它是片上SRAM,，實現(xiàn)了單周期數(shù)據(jù)讀／寫，可以提供比外存高得多的性能(0．89 MIPS／MHz),，極大地縮短了軟件執(zhí)行時間,，提高了系統(tǒng)性能。

6 總結

本文給出了SEP3203處理器的FPGA數(shù)據(jù)通信接口設計,，限于篇幅,，具體的硬件電路和軟件源代碼未能詳細列出。目前,，該系統(tǒng)已在東南大學ASIC中心GE02實驗板上調試通過,，可以正常工作。