摘要：以Altera公司的FPGA芯片EP2C20Q208C8為例，詳細介紹了在QuartusII 7．2的環境下，用SOPC Builder構建Nios軟核時，自定義FIFO接口元件的方法。通過將采集到的電壓信號，在數碼管上顯示的實驗，實現FIFO寄存器與Nios CPU之間的通信。
關鍵詞：現場可編程門陣列FPGA；Nios；先進先出；可編程片上系統Builder

0 引言
    隨著微電子技術和半導體工業的不斷發展，數字技術已進入片上系統時代。從而又發展了SOPC(可編程片上系統)，SOPC是Altera 公司提供的片上可編程系統解決方案。Nios嵌入式處理器是Altera公司推出的軟核CPU，提供給用戶，并在Altera的FPGA上實現優化，用于 SOPC集成
并在FPGA上實現，提高了系統的靈活性和擴大范圍。
    自定義外設是SOPC系統靈活性的重要體現，是SOPC系統中極其重要的一種設計方法。在大量的數據常需要處理時，利用自定義外設由具體的硬件來實現，可以極大程度地提高系統運行的速度，同時便于系統的模塊化與集成化，是SOPC系統設計的重中之重。定制的用戶外設能夠以“硬件加速器”的形式實現各種各樣用戶要求的功能。

1 定制Avalon總線型FIFO接口元件
    由于選用的AD采樣速率非常高，并且只由時鐘控制端控制，因此設計時在AD采集模塊和Nios CPU之間加一個FIFO存儲器，從系統外部接口送來的數據先在FIFO中緩存，然后將數據讀入SDRAM，在片上進行數據處理。整個流程在FPGA平臺上采用SOPC方法實現。在SOPC Builder中只有廠商提供的片上FIFO接口控制器，沒有外部使用的FIFO接口控制器核，因此需要用戶自定義FIFO接口控制器，這樣才能滿足系統外圍電路的應用要求。文中采用創建元件配置向導定制FIFO接口元件的方法。

2 用戶自定義IP核的開發流程
    自定義外設作為NiosII軟核處理器超強靈活性的體現，它的開發要遵循一定的規律。一個用戶自定義外設必須用硬件描述語言來描述硬件的邏輯。用戶自定義IP按照對Avalon總線操作的不同可分為Avalon Master、Avalon Slaver和Avalon Streaming外設。由于Avalon Master和Avalon Streaming外設的開發比Avalon Slave外設要復雜，所以用戶開發的外設大部分為Avalon Slave外設，但是開發流程是一樣的。典型的Avalon外設的開發步驟如下：
    (1)規劃元件的硬件功能。若采用微控制器控制該元件，則規劃訪問該硬件的應用程序接口(API)；
    (2)在硬件和軟件要求的基礎上，定義一個恰當的接口(一般為Avalon Slave端口)；
    (3)使用硬件描述語言描述硬件邏輯。一個典型元件的硬件架構一般由接口模塊、寄存器文件模塊和行為模塊3部分組成。接口模塊作為頂層模塊，定義總線接口信號；寄存器文件模塊完成該元件與外部信號的通信，提供訪問與控制元件的邏輯界面；行為模塊實現元件的硬件功能。片上總線Avalon從端口的信號都不是必須的，一個典型的Avalon從端口所包含的信號如表1所示。


    (4)單獨驗證元件的硬件功能；
    (5)寫用于描述寄存器的C頭文件為軟件定義硬件寄存器映像；
    (6)寫元件的驅動軟件；
    (7)把通過測試的源代碼使用元件編輯器封裝硬件HDL和軟件文件，完成元件定制。
3 自定義FIFO接口的開發
3．1 硬件構建
3．1．1 接口模塊的設計
    根據FIFO的功能需要，該模塊所需的Avalon總線輸入信號為clk、reset n、data、full、empty信號，而模塊輸出則為rdclk、rdreq、wrreq信號。該接口模塊定義了總線接口信號，作為頂層模塊。
    Avalon總線接口設計文件的端口說明部分如下：
   
3．1．2 寄存器文件模塊
    寄存器文件模塊實現與外部信號的通信，提供了訪問與控制元件界面。在寄存器文件中，Avalon總線的地址信號有兩位，00表示讀取數據寄存器，O1表示讀取狀態寄存器，10表示寫控制寄存器，address的11保留。在片選和讀信號的控制下，分別讀數據寄存器和狀態寄存器。在片選和寫信號的控制下，向控制寄存器寫入數據。
3．1．3 行為模塊
    行為模塊實現元件的硬件功能，當寫請求(wrreq)信號有效時，向數據寄存器中寫入數據，當讀請求(rdreq)信號有效時，讀取數據寄存器中的數據。在QuartusⅡ7．2環境下，基于EP2C20Q240C8器件的FIFO接口的仿真波形如圖1所示。


3．2 FIFO接口模塊的添加
    在Quartus II工程中打開SOPC Builder，在SOPC Builder界面的左欄中點擊Create new component打開創建元件向導，彈出Component Editor，在HDL Files選項卡中添加HDL文件(FIFO interface．vhd)，并將其設置為頂層模塊。在Signals選項卡中出現FIFO interface中定義的信號。若出現紅色字體表示錯誤，需要將其接口類型修改一下，如reset n被指定為clock類型，傳輸方向為input，數據寬度為1，read-data被指定為avalon_slave類型，傳輸方向為output，數據寬度為32，data被指定為export類型，傳輸方向為export，數據寬度為32，等等。修改完之后，FIFO的地址對齊方式選擇動態地址對齊"Mermory(use dynamic bussizing)"。時序設置也很重要，設置不當會造成數據的錯誤傳輸。系統FIFO的讀寫時鐘為50MHz，周期為20ns，設定建立時間為 1ns，將所有設置設置完之后進行保存。保存完之后在該工程目錄下會出現FIFO_interface_hw．tcl文件，FIFO控制器接口就出現在左欄中，若想在其它工程中使用該控制器，最簡單的方法是將FIFO_inter-face．vhd、FIFO interface hw．tcl在FIFO interface hw．tcl～放在一個文件夾里，并將此文件夾放在QuartusⅡ的安裝目錄的ip文件夾中。
3．3 Nios CPU模塊
    搭建好SOPC框架之后，生成CPU原理圖模塊如圖2所示。其中第二部分就是FIFO接口文件生成的模塊圖，包括輸入信號(data、 empty、full)和輸出信號(rdclk、rdreq、wrreq)。兩個PIO接口con和seg，分別用作數碼管的位選通和段選通。



4 軟件設計
    軟件設計包括寄存器頭文件、驅動軟件及測試程序的設計。寄存器頭文件FIFO reg．h定義了對FIFO進行讀寫操作的宏。IORD和IOWR是硬件抽象層提供的兩個訪問寄存器的C語言宏。下面代碼是對FIFO的數據寄存器、狀態寄存器和控制寄存器進行讀寫操作的宏。
    驅動軟件包括FIFO．h和FIFO．c文件。FIFO．h定義了驅動函數的原型和常量，FIFO．c則實現驅動函數的功能。FIFO．c中定義了一個函數，實現將采集到的數據在數碼管上顯示的功能。例如采集到電壓值為5V電壓時，數碼管上顯示5．00。

5 結束語
    本文通過介紹基于SOPC的自定義FIFO接口的詳細過程，用戶可以在SOPC設計環境下自定義任意接口控制器。定制元件是SOPC Builder靈活性的重要體現，大大擴展了NiosⅡ系統的應用范圍。本設計采用VHDL語言編寫SOPC用戶自定義邏輯模塊，實現FIFO接口控制器的設計，此模塊已經成功地在FFGA上實現數據采集模塊與Nios CPU之間的通信。通過創建元件配置向導定制FIFO接口元件的方法，對定制元件的設計具有較好的借鑒作用。