如何實現微控制器與FPGA的接口設計

　將近一半的嵌入式設計用到FPGA，僅次于微控制器。FPGA可用于執行任何膠合邏輯、自定義IP 、計算密集型算法加速器。通過采取一些處理任務， FPGA可以幫助提高系統性能，從而使單片機從周期密集的任務中騰出部分時間。FPGA還提供優良的性能特點和更的靈活性，以適應不斷變化的標準。

　　基于FPGA的MCU設計有兩種基本實現方式：一種是在FPGA邏輯結構中內置MCU軟核；一種是使用基于離散FPGA的標準MCU產品。FPGA內置軟核有效果，但與標準MCU相比，該方式實現一個微控制器是比較昂貴和耗電的。尤其是使用基于32位ARM的內核。結果，基于FPGA內置軟核的FPGA MCU設計只占三分之一。其余的三分之二是基于離散FPGA的標準微控制器產品。

　　標準微控制器產品和FPGA都沒有有效的發展兩者之間的通信，甚至使用不同的語言。因此，它們之間的接口將是一種挑戰。FPGA的沒有任何專門的邏輯電路來與微控制器通訊。首先，這種邏輯模塊的設計必須從零開始。其次，微控制器和FPGA之間的通信是異步的。特別是需要使單片機與FPGA時鐘域同步。最后，無論是接口，還是微控制器總線，都存在瓶頸問題。MCU和FPGA之間的信息傳遞通常需要在MCU總線上循環，且通常占用資源（PIO or EBI）影響傳遞速度。因此必須注意避免與外部SRAM或閃存和微控制器總線的瓶頸問題。

　　MCU的FPGA接口基本上有三種硬件選擇：可編程的I / O（PIO）；外部總線接口（ EBI的），如果有的話；最后，MCU之間的一個專門的接口，先進的高速總線（ AHB ）和FPGA 。該方法的使用依賴于高端應用和市場期望。

　　PIO接口

　　通過PIO 連接MCU和FPGA相對簡單數據傳輸來說比較簡單，包括傳輸32位的地址， 32位數據，還有一些控制信號的控制。這就需要一個32位的PIO和一個2位PIO（圖1） 。

圖1 PIO連接FPGA

　　為了將數據傳輸到FPGA，PIO中的雙向緩沖器方向必須設置為輸出。數據傳輸到FPGA的軟件算法實現如下：

　　從FPGA讀取數據的方法相似。同樣，PIO中的緩沖區首先必須設置為輸出，然后改變方向為輸入從FPGA讀取數據，下面是執行代碼：

　　上述算法是一個基本的傳輸，更先進的算法是必要在ARM微控制器和FPGA之間建立適當的通信。特別要注意的是，確保數據的可靠性，例如沒有因高速或等待周期造成資料遺失等。

　　訪問時間計算的總和：

T訪問-PIO=t1+處理階段+t2+數據階段

　　使用最大優化的GCC編譯器，系統大約需要55個AHB周期向FPGA執行寫操作（圖2）。

圖2 PIO向FPGA 寫數據

　　假設t2（FPGA的等待響應時間）也大約是25個 AHB周期，系統大約需要85個AHB周期從FPGA進行讀操作（圖3）。

圖3 PIO從FPGA讀取數據

　　MCU自身接口連接非常簡單和直截了當。然而，在FPGA里必須用特殊的邏輯來解碼所有的由PIO生成的業務流。在大多數情況下，微控制器的業務流是完全異步。因此，FPGA必須能夠從微控制器中過采樣控制信號；否則，FPGA將錯過時間窗口且業務流將不會最終到達FPGA內。