基于SOPC的数据发生系统设计

摘 要：提出一种基于SOPC的数据发生系统及其PCI接口的设计方案，详细介绍了系统主要模块的硬件设计方法，实现SOPC系统中定制用户自定义主从外设及其通过相应的主从端口与Avalon。总线的连接，并在EDA工具QuartusⅡ和ModelSim平台上用硬件描述语言VHDL语言对该方案中的基本模块，如数据产生，乒乓结构和PCI9054接口逻辑进行了逻辑综合及功能仿真。可以在本系统的基础上，通过软件的完善，实现复杂的非常规类型数据的产生，提高了系统的适应性和灵活性，有利于参数的修改和系统升级。
关键词：SOPC；Avalon总线；乒乓结构；PCI9054

0 引 言
可编程片上系统(SOPC)是一种特殊的嵌入式系统，因为SOPC是片上系统(SoC)，即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；SOPC是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减，可扩充，可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能；SOPC结合了SoC和FPGA的优点，涵盖了嵌入式系统设计技术的全部内容；SOPC涉及目前已引起普遍关注的软硬件协同设计技术。
现以数据发生系统为例，介绍采用SOPC技术，以硬件描述语言为主要手段，产生伪随机序列的设计方案。研究了伪随机序列的产生，两片SRAM乒乓结构存储以及通过PCI9054芯片与PC机之间数据传递等模块的硬件实现问题。

1 基本原理和系统的整体结构
本系统的主要模块框图如图1所示，SOPC系统采用Altera的CycloneⅡ系列的芯片。系统包括NiosⅡ软核处理器，扩展的程序存储器FLASH，数据存储器SRAM，以及用户自定义逻辑如PCI9054接口逻辑模块、数据产生模块、乒乓结构模块等，并通过Avalon总线连接起来。数据产生模块产生伪随机序列，该数据存储到两片片外扩展的SRAM中，PCI9054接口逻辑将数据从SRAM中读出后通过PCI9054接口芯片传输到PC机中，其中SRAM中数据的写入和读出是通过乒乓结构模块控制的。

由于PCI总线协议比较复杂，该系统采用PCI接口专用芯片PCI9054，用于PCI总线的控制。为了实现数据的高速传输，采用了DMA传输模式。在该模式中，PCI9054既是PCI总线的控制器又是本地总线的控制器，所以其与FPGA之间的接口逻辑模块设置为AvaIon主外设，控制SRAM的读操作。
FPGA的片上资源很宝贵，所以数据的存储采用了片外扩展SRAM。由于数据为16 b，而且为实现数据的高速传输，采用了两片256K x 16 b的SRAM(IDT71V416)构成乒乓结构，以用作系统的数据存储器。为保证整个系统高速运行以及以后升级的需要，选用了存取时间为10 ns的IDT71V416。

2 系统主要硬件设计
2.1 数据产生模块
该模块的逻辑功能由VHDL语言设计实现，可以通过修改该模块的设计产生所需要的数据，本系统产生的数据为伪随机序列。模块的逻辑功能是：先产生8 b的伪随机数，再将所产生的数据通过D触发器组合成16 b的数据。该系统采用了非线性反馈的移位寄存器，即全状态移位计数器来产生所需要的伪随机数。这种计数器利用了移位寄存器的所有状态，能够自启动，不需要额外输入。这种伪随机序列发生器，可大大简化结构，提高可靠性，易于实现。