不用處理器控制FPGA總線的方法

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)。