基于FPGA的ARM并行總線設計與仿真分析

　　在數字系統的設計中，FPGA+ARM的系統架構得到了越來越廣泛的應用，FPGA主要實現高速數據的處理;ARM主要實現系統的流程控制。人機交互。外部通信以及FPGA控制等功能。I2C、SPI等串行總線接口只能實現FPGA和ARM之間的低速通信; 當傳輸的數據量較大。要求高速傳輸時，就需要用并行總線來進行兩者之間的高速數據傳輸。

　　下面基于ARM處理器LPC2478 以及FPGA器件EP2C20Q240，以ARM外部總線的讀操作時序為例，研究兩者之間高速傳輸的并行總線;其中，數據總線為32位;并在FPGA內部構造了1024x32bits的SRAM高速存儲緩沖器，以便于ARM處理器快速讀寫FPGA內部數據。

　　1 ARM并行總線的工作原理

　　ARM處理器LPC2478的外部并行總線由24根地址總線。32根數據總線和若干讀寫、片選等控制信號線組成。根據系統需求，數據總線寬度還可以配置為8位，16位和32位等幾種工作模式。

　　在本設計中，用到ARM外部總線的信號有：CS.WE.OE.DATA[310].ADDR[230].BLS等。CS為片選信號，WE為寫使能信號，OE 為讀使能信號，DATA為數據總線，ADDR地址總線，BLS為字節組選擇信號。ARM的外部總線讀操作時序圖，分別如圖1所示。

　　根據ARM外部并行總線操作的時序，ARM外部總線的讀寫操作均在CS為低電平有效的情況下進行。由于讀操作和寫操作不可能同時進行，因此WE和OE信號不能同時出現低電平的情況。

　　數據總線DATA是雙向的總線，要求FPGA也要實現雙向數據的傳輸。在時序圖中給出了時序之間的制約關系，設計FPGA時應該滿足ARM信號的建立時間和保持時間的要求，否則可能出現讀寫不穩定的情況。

　　2 FPGA的并行總線設計

　　2.1 FPGA的端口設計

　　FPGA 和ARM之間的外部并行總線連接框圖，如圖2所示。由于FPGA內部的SRAM存儲單元為32位，不需要進行字節組的選擇，因此BLS信號可以不連接。為了便于實現ARM和FPGA之間數據的快速傳輸，FPGA內部的SRAM既要與ARM處理器進行讀寫處理，還要跟FPGA內部的其他邏輯模塊進行數據交換，因此SRAM采用雙口RAM來實現。

　　從端口的方向特性看，DATA端口是INOUT(雙向)方式，其余端口均為IN(輸入)方式。從端口的功能看，clk20m是全局時鐘，在實現時應采用 FPGA的全局時鐘網絡，這樣可以有效減少時鐘延時，保證FPGA時序的正確性。ADDR是16位的地址總線，由ARM器件輸入到FPGA。DATA是 32位的雙向數據總線，雙向總線的設計是整個設計的重點。OE為ARM輸入到FPGA的讀使能信號。