【導讀】許多FPGA設計使用嵌入式處理器實現控制。典型的解決方案是使用Nios這樣的軟處理器，雖然內置硬處理器的FPGASoC也變得很流行了。圖1顯示的是一個典型的Altera FPGA系統，其中包含了處理器和通過Altera的Avalon內存映射(MM)總線連接的各種外設。這些處理器極大地簡化了終端應用，但要求很強的編程背景和復雜的工具鏈知識。這將妨礙調試，特別是當硬件工程師不想求助軟件工程師，只需要一種簡單的方式讀寫外設時。
圖1：使用Avalon內存映射總線連接的典型Altera FPGA系統。
本設計實例使用Altera的SPI Slave to Avalon MM橋實現了一種掛接到Avalon總線的簡單方法。這種技術有兩個優勢：它不會影響原始系統設計，橋可以與嵌入式處理器共存。對于圖1所示的系統來說，這種SPI橋允許工程師直接控制LTC6948小數分頻鎖相環的頻率、設置LTC1668數模轉換器的電壓、讀取LTC2498模數轉換器的電壓或讀取LTC2983的溫度，就像處理器那樣。
圖2：高亮部分+例子代碼+反向工程=Python腳本。
Altera為SPI-Avalon MM橋提供了參考設計。遺憾的是，相關文檔非常少，并且將Nios處理器用作SPI主器件。這其實有違使用SPI橋的初衷，因為Nios可以直接連接Avalon MM總線。實用性的SPI主器件是凌力爾特公司的Linduino微控制器，它是Arduino處理器的的克隆版本，不過增加了連接LT演示板的接口等額外功能。其中一個額外功能是電平轉換SPI端口。當連接電壓低至1.2V的FPGA I/O組時這個電平轉換功能特別有用。Linduino固件可以用來接受來自虛擬COM端口的命令，并將命令翻譯成SPI處理內容。 在對Altera設計例子進行反向工程后(圖2)就能得到一個Python庫，接著創建SPI橋可以接受的數據包。這些數據包隨后被翻譯成Linduino命令。Python腳本隨后允許硬件工程師完全控制整個項目，無需重新開發接口協議。LinearLabToolsPhython文件夾中提供了幫助LTC1668數模轉換器控制數字圖案發生器頻率的Python腳本例子。圖3顯示了演示裝置。
圖3：插入FPGA電路板(左)的DC2459數模轉換器演示板(右)。
圖4顯示了系統框圖。注意，數字控制振蕩器(NCO)可以由移位寄存器或PIO內核進行控制。移位寄存器用于調試，因為它可以直接控制NCO。將GPIO線置高將激活SPI-Avalon橋，進而控制Avalon總線上的32位PIO端口。PIO輸出隨即用于控制NCO頻率。
圖4：FPGA系統框圖。
借助基本的一些系統操作，可以將額外的外設內核連接到總線上。為了幫助系統設計，Altera提供了一款名為Qsys的工具，它提供了連接各個IP的圖形用戶界面(GUI)。Qsys可以將GUI設計的系統(圖5)翻譯為HDL。外設地址是完全可配置的。在這個案例中，PIO被設為基地址0x0。
圖5：Qsys GUI。
當設計在FPGA中實現后，LinearLabTools中提供的Python庫包含的兩個函數就能連接到設計：
transaction_write(dc2026, base, write_size, data) transaction_read(dc2026, base, read_size)
這些函數的第一個參數是Linduino的串口實例。第二個參數是Avalon總線上的外設地址。這兩個函數分別用于接收和返回字節列表。當讀寫IP時這兩個函數具有一定的靈活性。為了設置給定例子的NCO，只需要transaction_write一個函數。公式1用于確定調節字。
要將NCO設為1kHz并具有50MSPS采樣率，調節字的值需要設為85899或0x00014F8B，并按4個字節一起傳送。這樣，將數模轉換器設為1kHz的Python代碼是： transaction_write(linduino_serial_instance, 0, 0, [0x0, 0x01, 0x4F, 0x8B])
圖6：Python Avalon總線例子。
圖6中的Python腳本描述了用于配置NCO的簡單文本接口。值得一提的是：SPI橋使用SPI模式3。這是通過不斷的試錯，并通過分析Altera例子中的Nios處理器的SPI接口驗證后才確定的模式。 本設計實例提供了一種無需使用嵌入式處理器就能控制系統的方法，它能幫助硬件工程師在不打擾軟件工程師的情況下搞定一個項目，并且對硬件設計的影響最小。
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