【SoCVista】SPI总线接口的SOPC模块设计与实现
SPI总线接口的FPGA设计与实现
SP I 总线接口的FPGA 设计与实现Ξ杨承富1,徐志军2(1.解放军理工大学通信工程学院研究生2队,江苏南京210007;2.解放军理工大学通信工程学院电子信息工程系)摘 要:文中介绍了采用A lterea 公司FL EX 10K 型的FPGA 器件实现串行外设接口(SP I )的原理与过程,给出了逻辑框图以及部分V erilog 代码。
用此种方法实现的接口与专用接口芯片相比,具有使用灵活,系统配置方便的优点。
关键词:串行外设接口;现场可编程门阵列;V erilog 硬件描述语言中图分类号:T P 336文献标识码:A 文章编号:003221289(2004)022*******D e s ign a nd I m p lem e nt S P IB us Inte rfa ce w ith FPGAYA N G Cheng 2f u 1,X U Z h i 2jun2(1.Po stgraduate T eam 2I CE ,PLAU ST ,N anjing 210007,Ch ina ;2.D epartm ent of Eelctronic Info r m ati on Engneering I CE ,PLAU ST )A bs tra c t :T he theo ry and the w ay of i m p lem en ting a SP I in terface w ith FPGA arein troduced ,and the b lock diagram and som e V erilog code are p resen ted .T he ch i p i m p lem en ted in th is w ay has m o re agility and is m o re conven ien t to configu re than o thers .Ke y w o rds :SP I in terface ;FPGA ;V erilog HDL串行外设接口SP I (Serial Peri pheral In terface )是M o to ro la 公司推出的一种同步串行接口。
SOPC嵌入式系统基础教程课程设计
SOPC嵌入式系统基础教程课程设计课程设计背景SOPC (System on a Programmable Chip) 是将数字系统设计的各个模块集成到一个芯片上的技术，可以利用 FPGA 技术实现。
使用SOPC 技术设计嵌入式系统时，可以将各种外设控制器集成到可编程器件中，从而完成完整的嵌入式系统。
随着现代物联网技术的快速发展和普及，嵌入式系统应用场景越来越广泛，嵌入式系统的开发工程师越来越受到关注。
因此，对于计算机科学专业的学生来说，掌握 SOPC 嵌入式系统的基础知识和技能也变得非常重要。
本课程设计旨在通过实践操作，让学生了解 SOPC 嵌入式系统的基本概念和应用，提高学生对嵌入式系统的设计能力。
课程设计内容实验环境准备软件环境1.Quartus II 集成开发环境2.ModelSim 集成仿真环境硬件环境采用 Altera 公司推出的 DE1-SoC 开发板，该开发板主要包括以下硬件资源：1.Cyclone V SoC FPGA 设备，包括 FPGA 逻辑资源和 ARM处理器资源2.DDR3 SDRAM 存储器3.VGA 视频输出端口4.以太网口5.GPIO 端口6.SD 卡口7.麦克风输入口8.音频输出端口实验流程本课程设计共包括两个实验设计，分别为：实验一：利用 Quartus II + Nios II + SOPC 技术搭建一个包含I/O 和 LED 控制的简单系统1.学习 Nios II 基本概念，如指令集架构、寄存器组、内存、中断等。
2.学习 Quartus II + Nios II IDE 集成开发系统的使用，包括类型定义、信号定义、仿真和调试功能。
3.建立一个简单的 SOPC 系统，包括 Nios II 处理器、I/O控制，用于控制 VGA 显示器中的 LED 灯。
4.用 C 语言编写应用程序来控制 LED 灯，并将程序下载到板子上，观察 LED 灯在 VGA 显示器中的状态。
soc设计方法与实现
soc设计方法与实现SOC（系统芯片）设计是一种综合了硬件设计和软件开发的复杂系统设计。
在现代电子技术中，SOC的地位越来越重要。
它的应用范围广泛，包括嵌入式系统、移动设备、汽车电子、工业自动化等等。
SOC设计的过程主要包括以下几个步骤：1.需求分析：为了确保SOC的功能能够满足用户的需求，首先要对用户的需求进行分析，明确功能和性能指标。
2.架构设计：根据需求分析，确定硬件和软件的内容，进行系统架构设计。
确定SOC各个模块之间的通信方式以及各个模块的功能和性能指标。
3.电路设计：根据架构设计中各个模块的需求，进行电路设计。
这个过程包括电路原理图设计、电路仿真、PCB布局等等。
4.芯片设计：在电路设计的基础上，进行芯片设计。
这个过程包括RTL设计、综合、布局布线、仿真验证等等。
5.测试验证：完成芯片设计后，就要对芯片进行测试验证，以确保芯片的功能和性能指标是否达到了要求。
SOC的实现是一个综合工作，需要集成硬件和软件方面的各种技术，包括模拟电路设计、数字电路设计、嵌入式软件开发、工艺制程和封装测试等等。
在SOC的实现过程中，需要注意以下几点：1.硬件和软件的协同开发：硬件和软件开发环节必须要保持紧密的合作。
软件开发要尽早介入硬件开发的过程，以便对功能性问题进行验证和优化。
2.优化功耗和面积：在SOC设计中，功耗和面积是两个非常重要的指标。
为了满足应用场景的要求和市场需求，需要对功耗和面积进行优化。
3.技术的选择：SOC设计需要选择合适的工艺技术、模组技术和封装技术。
在不同的应用环境下，选择合适的技术能够为SOC设计提供更大的空间。
通过以上步骤的实现，SOC设计能够实现高度集成、低功耗、高性能和高可靠性的目标。
同时，我们还需要关注系统的可测试性、可维护性和可升级性等问题。
在未来的SOC设计中，我们需要持续创新和技术更新，以满足用户的需求和市场需求。
SPI总线的原理与Verilog设计实现
SPI总线的原理与Verilog设计实现一、软件平台与（硬件）平台软件平台：1、（操作系统）：Windows-8.12、开发套件：ISE14.73、（仿真）工具：Model（Sim）-10.4-SE硬件平台：1、（FPGA）型号：Xilinx公司的XC6SLX45-2CSG3242、Flash型号：WinBond公司的W25Q128BV Qual SPI Flash存储器二、原理介绍SPI（Serial Peripheral Interface，串行外围设备（接口）），是Motorola公司提出的一种同步串行（接口技术），是一种高速、全双工、同步（通信）总线，在（芯片）中只占用四根管脚用来控制及数据传输，广泛用于EEP（ROM）、Flash、RTC（（实时时钟））、（ADC）（（数模转换器））、（DSP）（（数字信号）（处理器））以及数字信号解码器上。
SPI通信的速度很容易达到好几兆bps，所以可以用SPI总线传输一些未压缩的（音频）以及压缩的（视频）。
下图是只有2个chip利用SPI总线进行通信的结构图时序图如下所示：从上面的时序图可以很清楚的看出，当ROM的地址加1以后，ROM的数据是滞后了一个时钟才输出的，而ROM数据输出的时刻(这个时候ROM的输出数据并没有稳定)刚好是spi_module模块发送下个数据最高位的时刻，那么这就有可能导致数据发送错误，从以上时序图就可以看出8’h33和8’h24两个数据正确发送了，但是8’h98这个数据就发送错误了。
为了解决这个问题，其实只需要把spi_module模块的发送状态机在加一个冗余状态就行了，spi_module模块的发送状态机一共有0~15总共16个状态，那么我在加一个冗余状态，这个状态执行的操作和最后那个状态执行的操作完全相同，这样就预留了一个时钟的时间用来预先设置好要发送的数据，这样的效果是发送数据的最后一个bit实际上占用了3个时钟周期，其中第一个时钟周期把O_tx_done 拉高，后两个时钟周期把O_tx_done拉低。
sopc的技术方案
以我给的标题写文档，最低1503字，要求以Markdown 文本格式输出，不要带图片，标题为：sopc的技术方案# SOPC的技术方案## 1. 简介系统级片上系统（System-on-a-Chip, SOC）是将多个不同类型的硬件功能集成在一个芯片上的技术。
可编程逻辑器件（Programmable Logic Device, PLD）也得以发展，最终演变为可编程系统单片（System-on-Programmable Chip, SOPC）。
SOPC是一种集成了处理器核、外设和可编程逻辑资源的芯片。
本文将介绍SOPC的技术方案，包括其核心概念、设计流程和应用领域。
## 2. 核心概念### 2.1 可编程逻辑资源SOPC的核心是可编程逻辑资源，通常是通过可编程逻辑器件（如FPGA）实现的，用于实现不同的硬件功能。
可编程逻辑资源包括逻辑门、寄存器、复杂的算术逻辑单元（Complex Arithmetic Logic Unit, ALU）等，可以通过编程方式重新配置其功能和连接关系。
### 2.2 处理器核SOPC通常包含一个或多个处理器核，用于执行软件程序。
处理器核能够与可编程逻辑资源进行通信，并与外围设备进行交互。
处理器核有不同的架构和性能，常见的例子包括ARM Cortex-M系列和Intel x86系列。
### 2.3 外围设备外围设备包括各种接口和控制器，用于与外部设备进行数据交换。
常见的外围设备有串行接口（UART）、并行接口、时钟管理模块、存储器控制器等。
## 3. 设计流程SOPC的设计流程包括以下几个关键步骤：1. **需求分析**：确定所需的功能和性能指标，包括处理器核选择、外设选择和可编程逻辑资源容量等。
2. **系统设计**：根据需求分析结果，进行系统框架设计和模块划分。
3. **硬件设计**：根据系统设计，实现硬件模块的详细设计，包括处理器核、外设和可编程逻辑资源的配置和连接。
用于SoC的SPI接口设计与验证
用于SoC的SPI接口设计与验证匡春雨;马琪;陈科明【摘要】The RTL design and functional simulation of SPI IP core applied to SoC design is presented in this paper. The AMBA 2.0 bus standards is adopted to achieve the communication between the peripheral devices and the internal system through SPI. As fore data transmission section,the traditional design method was abandoned,which needs a specific shift regis-ter for serial/parallel transfer. The shifting transmission register and receive register are put together by the reuse registers to im-prove the speed and save the hardware resources. IP is verified with an SoC verification platform under SoC environment. The re-sults of simulation at the clock frequency of 100 MHZ show that the design can achieve data transmission and meet the require-ments of time-sequence design.%给出了一个可用于SoC设计的SPI接口IP核的RTL设计与功能仿真。
sopc设计原理及应用的体会
SOPC设计原理及应用的体会1. 简介在现代数字电路设计领域，SOPC（System-on-a-Programmable-Chip）是一种重要的设计方法，它将整个系统集成在一个可编程的芯片上。
SOPC的设计原理和应用在实际项目中发挥了重要作用。
本文将从以下几个方面探讨SOPC设计原理及应用的体会。
2. SOPC设计原理SOPC的设计原理主要包括以下几个方面：2.1 可编程逻辑器件SOPC设计基于可编程逻辑器件，如FPGA（Field-Programmable-Gate-Array）等。
这些器件允许设计者自定义逻辑功能和内部连线，从而实现不同的应用。
2.2 总线架构在SOPC设计中，总线架构扮演着重要角色。
总线架构允许各个组件之间进行数据传输和通信，提高系统的灵活性和可扩展性。
2.3 设计标准化SOPC设计采用标准化的硬件描述语言（HDL）进行设计，如VHDL（Very-High-Speed-Integrated-Circuit-Hardware-Description-Language）或Verilog。
这样做可以提高设计效率和可重用性。
3. SOPC应用实例SOPC设计在各个领域都有广泛的应用。
以下是一些SOPC应用的实例：3.1 通信系统SOPC可用于通信系统的设计。
通过将通信协议和控制逻辑集成在一个芯片上，可以实现高度灵活的通信系统。
SOPC设计还可以应用于无线通信、移动通信等领域。
3.2 工业自动化SOPC可以应用于工业自动化领域。
通过将控制逻辑、数据采集和通信功能集成在一个芯片上，可以实现高度集成和可配置的工业自动化系统。
3.3 嵌入式系统SOPC设计在嵌入式系统中也有广泛的应用。
通过将处理器核和外围设备集成在一个芯片上，可以实现高度集成和可靠性的嵌入式系统。
SOPC还可用于汽车电子、消费电子等嵌入式应用领域。
4. SOPC设计的优势SOPC设计具有以下几个优势：4.1 灵活性和可扩展性SOPC设计可以根据需求进行灵活的定制和扩展。
SOPC方案
SOPC方案引言：在当今数字技术高速发展的时代，各类电子设备的设计与开发成为了不可或缺的一环。
嵌入式系统的设计需求越来越复杂，为了满足这一需求，诞生了SOPC（System on a Programmable Chip）方案。
本文将详细介绍SOPC方案的定义、优势以及应用领域，以便更好地理解和应用该方案。
定义：SOPC是一种将系统级硬件和软件集成在一个可编程芯片上的设计方案。
通过SOPC方案，用户可以根据自己的需求灵活设计硬件系统，并利用编程方式控制系统的功能和性能。
SOPC方案的核心是可编程逻辑器件，如FPGA（Field Programmable Gate Array）。
优势：1. 灵活性：SOPC方案采用可编程芯片，使得系统硬件可以根据需求进行灵活定制。
不同于传统固定功能的硬件电路，SOPC方案可以根据用户的具体需求进行设计和修改，提供更加灵活的解决方案。
2. 可重构性：利用SOPC方案，用户可以通过重新配置硬件逻辑通过编程方式快速修改和调整系统功能。
这种可重配置性使得系统在设计阶段和实际应用中具备更强的适应性和可扩展性。
3. 性能优化：通过SOPC方案，用户可以根据应用的需求和资源限制精确控制系统的功能和性能。
此外，由于硬件和软件的紧密结合，SOPC方案有助于提高系统的运行效率和优化功耗。
4. 开发效率：SOPC方案通过软件和硬件的集成，简化了系统设计的流程。
借助现成的IP核（Intellectual Property Core）和开发工具，开发人员可以快速搭建嵌入式系统，并且可以使用高级编程语言进行开发。
应用领域：1. 通信领域：SOPC方案在通信设备的设计中得到了广泛应用。
通过SOPC方案，通信设备可以适应不同的接口、协议和传输速率，并且可以进行灵活的调试和维护。
2. 工业自动化：SOPC方案可以用于工业自动化控制系统的设计与开发。
通过SOPC方案，工控系统可以根据具体要求进行硬件逻辑的编程，实现自动化控制和数据采集等功能。
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SPI 总线接口的SoPC 模块设计与实现廖彬彬,张福洪,尚俊娜(杭州电子科技大学通信工程学院 浙江杭州 310018)摘 要:SPI 总线接口是Motorola 公司提出的一种全双工的同步串行外设通信接口,用于连接微处理器和各种外围设备。
可编程片上系统是Altera 公司提出的一种灵活、高效的SoC 解决方案,So PC 模块间的互联使用了Avalon 交换式总线。
基于Avalon 交换式总线接口规范,利用Verilog HDL 硬件描述语言实现SPI 总线接口的硬件设计,编写SPI 接口模块在N IOS Ⅱ系统中的驱动程序。
在Modelsim 中对SPI 接口的硬件设计进行功能和时序仿真;在FP GA 开发板上构建了实际的N IOS Ⅱ系统,验证SPI 接口的So PC 模块;仿真和验证结果正确,满足设计要求。
关键词:可编程片上系统;串行外设接口;Verilog 硬件描述语言;FP GA ;N IOS Ⅱ中图分类号:TN402;TP302 文献标识码:B 文章编号:10042373X (2008)022013204Design and Implement of SoPC Modular for SPI Bus InterfaceL IAO Binbin ,ZHAN G Fuhong ,SHAN G J unna(School of Communication Engineering ,Hangzhou Dianzi University ,Hangzhou ,310018,China )Abstract :Serial peripheral interface bus is a synchronous serial data link standard designed by Motorola which operates in full duplex mode ,it allows communication between micro processor and peripheral devices.So PC (System on Programmable Chip )is a kind of flexible and high performance SoC solution designed by Altera.The So PC system interconnect fabric is Aval 2on switch fabric.The SPI interface based on Avalon switch fabric using Verilog HDL (Hardware Description Language )is de 2signed and implemented.And then a device driver of SPI interface modular for NIOS Ⅱsystem is written.The f unction and timing simulation in Modelsim are also presented.A prototype N IOS Ⅱsystem on FP GA development board is built to verify this modular.Results of simulation and verification satisfy the design requirement.K eywords :system on programmable chip ;serial peripheral interface ;Verilog HDL ;FP GA ;N IOS Ⅱ收稿日期:20072072311 引 言可编程片上系统(System on Programmable Chip ,So PC )是Altera 公司提出的一种灵活、高效的SoC 解决方案,是一种特殊的嵌入式微处理器系统,他是将软件和硬件集成到单个可编程逻辑器件平台中,同时获得软件的灵活性以及硬件的高性能优势,并且他是可编程系统,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。
SPI 总线接口(Serial Peripheral Interface )是Motorola公司提出的一种全双工的同步串行外设通信接口,用于连接微处理器和各种外围设备,是一种3线总线结构,接口信号线少,实现简单,应用非常广泛。
本文给出的是通过Verilog HDL 硬件描述语言实现SPI 总线的So PC 模块设计,并编写该模块在NIOS Ⅱ系统中的驱动程序。
2 SPI 总线接口与Avalon 交换式总线简介2.1 SPI 总线接口SPI 总线接口最早由Motorola 公司提出,他是一种全双工的同步串行外设通信接口,用于连接微处理器和各种外围设备。
SPI 接口一般由4根信号线组成,1根串行时钟线(SCL K )、2根数据线主机输入/从机输出线(MISO )和主机输出/从机输入线(MOSI ),还有一根是低电平有效的从机选择线(SS )。
SPI 接口总线上的数据传送是通过串行时钟SCL K进行同步。
SCL K 信号由SPI 主机端产生,通过串行时钟线(SCL K )传到SPI 从机,从而实现串行数据的同步传送。
MISO 和MOSI 的功能取决于其是作为主机还是从机。
当作为主机时,MISO 是输入,MOSI 是输出,作为从机时刚好相反。
其应用通常是一个SPI 主机连接一个或多个SPI 从机。
SPI 接口的数据传输有4种不同的传输模式,由SPI控制寄存器中CPOL 和CP HA 位来选择当前传输模式,如表1所示。
31表1 SPI 总线传输模式模式CPOL CP HA 模式CPOL CP HA 0002101311模式0 时钟SCL K 的静止状态为低电平,在SCL K 的上升沿采样数据,下降沿改变数据;模式1 时钟SCL K 的静止状态为低电平,在SCL K 的下降沿采样数据,上升沿改变数据;模式2 时钟SCL K 的静止状态为高电平,在SCL K 的下降沿采样数据,上升沿改变数据;模式3 时钟SCL K 的静止状态为高电平,在SCL K 的上升沿采样数据,下降沿改变数据;SPI 接口的4种传输模式如图1所示,其中传输的数据宽度为8b 。
图1 SPI 接口的4种传输模式2.2 Avalon 交换式总线Avalon 交换式总线是由Altera 开发的一种专用的内部连线技术,是So PC Builder 的专用互联技术。
Avalon 交换式总线由So PC Builder 自动生成,是一种最理想的用于系统处理器和外设之间的内联总线。
每当一个新的组件被添加到系统中或某个外设的优先级被改变,就会生成一个新的、最佳的交换式总线结构。
整个过程都由So PCBuilder 自动完成,所以用户可以很容易地修改系统以提高性能或增加系统功能。
Avalon 交换式总线使用最少的逻辑资源来支持数据总线的复用、地址译码、等待周期的产生、外设的地址对齐、中断优先级的指定以及高级的交换式总线传输。
Avalon 交换式总线接口灵活,用户只需使用系统所需的信号来进行数据传输。
Avalon 交换式总线定义的内联线策略使得任何一个Avalon 总线上的主设备都可以与任何一个从设备建立连接。
Avalon 交换式总线还支持大范围的系统结构,包括单个的,多个的主设备系统,还具有在外设之间通过不同路径进行无缝的数据传输能力。
为了适应So PC 系统外设的开发,Altera 制定了Aval 2on 总线接口规范,Avalon 总线接口规范用于规范外设的设计使其符合So PC系统的设计要求,提高设计的可复用性,大大提高系统设计效率。
3 SPI 总线接口设计与V erilog 实现3.1 SPI 总线接口设计本文设计的SPI 接口模块为SPI 主机部分,主要用于FP GA 基带处理开发板和射频板之间的通信连接,以实现在FP GA 中控制射频板的工作模式和参数设置。
其应用框图如图2所示。
图2 SPI 应用框图在FP GA 中实现的是SPI 主机模块。
射频板上有2个SPI 从机,其数据宽度、传输模式等都不同,这就需要SPI 主机部分能够根据不同的从机选择设置不同的传输参数,主要的参数有数据宽度、传输模式、传输速率、数据传输方向(MSB 先传还是L SB 先传)。
因为所设计的SPI 接口模块需要在So PC 系统中使用,其接口信号必须满足Avalon 交换式总线接口规范,表2所示为所设计的SPI 接口模块的接口信号。
其中CL K 为系统时钟信号;reset _n 为低电平有效的复位信号,使系统复位到一个确定的初始状态;CS 为片选信号;address 为输入地址线,用来选择SPI 接口模块内部的寄存器;read 和write 为读写使能信号输入;read_data 和write_data 为32位读写数据;byte_enable 为字节使能信号输入;interrupt 为中断请求信号输出;sclk 为串行时钟信号输出;mosi 和miso 分别为主机输出从机输入、从机输出主机输入的串行数据线;ss 为从机选择信号输出,可与8个从机相连。
表2 SPI 模块接口信号接口信号名Avalon 总线信号类型数据宽度输入/输出CL Kclock 1input reset_n reset_n 1input CS chipselect 1input address address 3input write write 1input read read 1input write_data write_data 32input read_data read_data 32output byte_enable byteenable4input interrupt irq 1output sclk export 1output mosi export 1output miso export 1input ssexport8output本文中设计的SPI 接口模块使用Avalon 总线和其他模块之间实现互连。
其功能结构如图3所示。
SPI 任务逻辑:实现SPI 数据的传输控制;41SPI寄存器文件:SPI 寄存器文件提供了任务逻辑和外界交换数据的途径,根据寄存器文件,用户就可以通过Avalon 接口使用基地址+地址偏移量的方式来访问SPI接口模块的内部寄存器;控制寄存器:用来对SPI 接口模块电路进行配置的,可以设置数据宽度、串行时钟的极性和相位、以及传输速率;状态寄存器:包含发送完成或者系统出错的标志位;从选择寄存器:选择需要同主机进行通信的从机;波特率寄存器:决定串行时钟SCL K 的速率;接收数据寄存器:接收数据寄存器;发送数据寄存器:发送数据寄存器;Avalon 接口:Avalon 接口为寄存器文件提供一个标准的Avalon 前端,使用Avalon 标准的接口信号来访问寄存器文件。