请问怎样去设计一种FPGA数据通信接口？

　　SEP3203处理器是由东南大学国家专用集成电路系统工程威廉希尔官方网站 研究中心设计的16／32位RISC微控制器，面向低成本手持设备和其他通用嵌入式设备。该处理器内嵌ARM7TDMI处理器内核，为用户提供了面向移动终端应用的丰富外设、低功耗管理和低成本的外存配置，整个芯片可以运行在75 MHz。数据通信系统使用的主要功能模块如下：20 KB片上零等待静态存储器（eSRAM）；外部存储器接口控制器（EMI）；中断控制器（INTC）；DMA控制器（DMAC）。
　　系统中使用的FPGA为Altera公司的Cyclone系列中的EP1C6Q240C8，拥有丰富的I／O资源和逻辑资源，外部接口遵循SRAM时序。它主要负责提供信号的A／D采样频率，并将A／D转换后的数据存储到一组FIFO中，待FIFO的FF（Full Flag）端口有效后，将FIFO中的数据读回，同时使能另一组FIFO的写时序，实现了信号不间断的采样和存储。
　　FPGA将一组数据处理完毕后，以中断的方式通知SEP3203，处理器以DMA方式将运算后的结果存储到片外的SDRAM中。由于数据写满FIFO的时间大于FPGA处理数据的时间，所以整个系统实现了流水线操作。
　　1 系统的总体设计
　　系统硬件主要由信号采集模块、FIFO、FPGA和SEP3203处理器组成。信号采集模块主要包括信号接收器和A／D转换模块。接收到的信号首先要通过NE5534进行放大，NE5534采用±5 V供电。图1为系统总体框图。
　　
　　系统中的A／D转换芯片使用了ADI公司的AD1672，它采用4级流水线结构，在3 Msps采样速度下精度为12位。FIFO选用了IDT公司的IDT7202。它具有输入和输出两套数据线，独立的读／写地址指针在读／写脉冲的控制下顺序地从双口FIFO读／写数据，读／写地址指针均从第一个存储单元开始，直到最后一个存储单元，然后又回到第一个存储单元。为了支持9位数据宽度的存储，系统采用了2片IDT7202将数据宽度扩展为16位，共使用了4片IDT7202实现了FIFO的协同工作。在系统工作时，IDT7202内部的仲裁电路通过对读指针和写指针的比较，相应给出FIFO的空（EF）和满（FF）状态指示；FPGA可以根据所获得的FIFO状态标志控制FIFO的读／写时序，实现对FIFO的读／写操作。
　　Cyclone系列的FPGA支持多种I／O电平标准，包括3．3 V、2．5 V和1．8 V的LVTTL和LVCMOS电平。SEP3203处理器的I／O电平为3．3 V，与工作在3．3 V的FPGA电平兼容，可以直接相连。由于FIFO必须是5 V供电，所以FPGA将数据从FIFO读入内部存储器时，需要经过一个电平转换芯片。系统选用了IDT公司的IDT74LVC16245，它支持8／16位数据的双向传输。
　　2 SEP3203与FPGA的接口电路设计
　　2．1 硬件设计
　　系统中的FPGA输入时钟由外部晶振提供，为20MHz。FPGA的复位信号通过SEP3203的I／O口实现。本系统有2个触发信号：硬件触发信号和软件触发信号。硬件触发信号低电平有效，软件触发信号高电平有效。首先，SEP3203处理器产生复位信号复位FPGA内部的逻辑电路；当FPGA检测到任何一个有效触发信号后，会按照SEP3203处理器配置的分频因子，将in_clk分频后输出div_clk给A／D采样电路。硬件实现框图如图2所示。
　　
　　A／D采样数据在采样时钟有效后短时间内可能会是无效的，所以SEP3203要配置一定的延时值给FPGA。当延时满足后，FPGA才将FIFO的写时序输出到IDT7202的写端口。确保采集到的数据为有效数据。
　　图3是SEP3203处理器输入到FPGA内部的控制信号的仿真波形图。in_rst_n_a是复位信号，in_we_n和in_cs_n是SEP3203的写信号和片选信号。系统中FPGA接到了处理器的CSB片选上，该片选的地址映射默认为0x24000000～0x27FFFFFF，in_addr是地址线，in_data为输入数据。这里将延时设为2，分频因子设为10，之后通过往地址0x24000804写1，用软件使能系统。in_trig为硬件触发信号。
　　
　　2．2 软件设计
　　一旦软件使能系统，FPGA就会输出div_clk给A／D采样电路。div_clk可以通过软件灵活配置，这里Div_clk为1 MHz。
　　
　　3 FPGA与FIFO的数据通信接口设计
　　在FPGA与FIFO数据通信接口设计中，FPGA主要输出控制时序到IDT7202的复位、写和读端口，实现A／D转换数据到FIFO的存储，并将数据从FIFO读入FPGA的内部存储器。一旦延时满足，FPGA就输出写时序给FIFO的写端口（nW），同时检测FIFO的nFF（Full Flag）信号。若该信号为低，则说明FIFO已经写满1 024个半字（16位）。此时，FPGA输出读时序给该组FIFO，同时输出写时序给另一组FIFO，以不间断地存储A／D采样数据。
　　这部分电路在硬件实现上比较简单，IDT7202的输出数据通过电平转换芯片IDT74LVC16245输出给FPGA，FPGA输出控制时序到FIFO。由于FPGA输出逻辑“1”时的最低电压Uoh为2．4 V，输出逻辑“0”时的最高电压Uol为0．4 V，而IDT7202输入逻辑“1”时的最低电压为2．2 V，输入逻辑“0”时的最高电压为0．8 V，所以FPGA到FIFO的控制时序无须进行电平转换，控制端口可以直接相连。
　　系统中FPGA输出完全符合FIFO读写时序的脉冲，控制FIFO的读写操作。图4是仿真波形图。
　　
　　IDT7202的异步读写操作时序如图5所示。
　　
　　表1是IDT7202异步读写操作时序的参数及说明。
　　
　　当FPGA检测到in_ff_n_1为低时，fifo_ff_pulse就产生一个50 ns的高脉冲；检测到该脉冲后，out_wr_n_1持续高电平，out_rd_n_1输出有效读时序；同时out_wr_n_1输出有效写时序。写时序以1 MHz的频率输出持续100ns低电平的脉冲；读时序低电平持续100 ns，高电平持续50 ns。FPGA根据out_FPGA_rd信号来采集FIFO输出的数据。
　　4 SEP3203与FPGA的数据通信接口设计
　　数据经FPGA做算法处理后，由SEP3203处理器将结果存储到片外SDRAM中，SDRAM使用的是Winbond公司的W981216BH。硬件实现框图如图6所示。
　　
　　SEP3203对FPGA的访问遵循SRAM时序，图7为SEP3203读数据时的信号仿真波形图。
　　
　　通过DMA方式传输数据时，in_cs_n和in_rd_n信号一直为低，所以只有通过in_addr信号来控制FPGA的内部存储器地址。处理后的A／D数据扩展为32位。
　　SEP3203处理器默认的AHB总线宽度是32位。当使用DMA传输时，源和目的数据可以是不同的宽度，可以等于或小于总线的物理宽度，DMAC会对数据进行适当的打包和解包，以满足AHB总线宽度。由于FPGA与SEP3202处理器之间只有16位数据总线，所以设计中源地址数据宽度设为16位，目的地址数据宽度设为32位。程序如下：
　　
　　5 性能分析
　　为了实现系统的流水线操作，使用了EP1C6Q240C8中的PLL模块。FPGA的外部晶振频率为20 MHz，PLL提供70 MHz的时钟，主要用于A／D数据的处理和结果输出。采集1 024个16位数据的时间为（1／div_clk）×1024，数据从FIFO读入到结果输出的时间为580μs左右，所以当用1．7 MHz以下的频率采样A／D数据时，系统工作正常。若需要更高的A／D采样频率，则可通过优化数据处理过程来实现。
　　另外，为了提高软件的执行速度，将代码放在SEP3203处理器的eSRAM中执行。它是片上SRAM，实现了单周期数据读／写，可以提供比外存高得多的性能（0．89 MIPS／MHz），极大地缩短了软件执行时间，提高了系统性能。
　　6 总结
　　本文给出了SEP3203处理器的FPGA数据通信接口设计，限于篇幅，具体的硬件电路和软件源代码未能详细列出。目前，该系统已在东南大学ASIC中心GE02实验板上调试通过，可以正常工作。