基于FSL總線的門光子計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0 引言

    系統(tǒng)以FPGA為處理中心，實(shí)現(xiàn)各種工作模式，其功能框圖如圖2所示。功能模塊主要包括軟核Microblaze、對(duì)外部存儲(chǔ)器的接口MPMC、以及需要設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的Counterpulse IP核。在Counterpulse IP核與處理器軟核之間，采用了FSL總線進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)由Microbalze對(duì)Counterpu-lse核的配置，以及由Counterpulse核到Microblaze的數(shù)據(jù)傳輸。

    系統(tǒng)工作時(shí)，由Microblaze軟核通過網(wǎng)口接收由PC機(jī)發(fā)送來的命令，根據(jù)命令，通過一路FSL總線對(duì)光子計(jì)數(shù)IP核進(jìn)行工作模式的選擇和配置。計(jì)數(shù)IP核對(duì)外部計(jì)數(shù)源進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)的結(jié)果和狀態(tài)數(shù)據(jù)通過另一路FSL總線發(fā)送到Microblaze軟核，由Microblaze軟核將該數(shù)據(jù)在DDRRAM內(nèi)進(jìn)行緩沖，并通過網(wǎng)口將這些數(shù)據(jù)較終發(fā)送給PC機(jī)，由PC機(jī)進(jìn)行分析處理。
    系統(tǒng)有三種工作模式：模式一：使能計(jì)數(shù)，使能信號(hào)有效時(shí)(高電平有效)，對(duì)光子計(jì)數(shù)輸入的計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)；模式二：定周期計(jì)數(shù)，根據(jù)設(shè)定的計(jì)數(shù)周期，對(duì)光子計(jì)數(shù)輸入的計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)；模式三：?jiǎn)��?dòng)和停止信號(hào)分開的計(jì)時(shí)，根據(jù)輸入的計(jì)數(shù)啟動(dòng)信號(hào)和計(jì)數(shù)停止信號(hào)(均為上升沿有效)，進(jìn)行以系統(tǒng)基頻為基準(zhǔn)的計(jì)時(shí)，以實(shí)現(xiàn)函數(shù)測(cè)量。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2．1 系統(tǒng)硬件框圖
    計(jì)數(shù)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，由FPGA、64MB的DDR存儲(chǔ)器、16MB的FLASH存儲(chǔ)器和10M／100M以太物理層(PHY)等組成。系統(tǒng)工作時(shí)，由PC機(jī)通過網(wǎng)口發(fā)送命令到FPGA，F(xiàn)PGA內(nèi)部的Microblaze軟核配置計(jì)數(shù)IP核的工作模式，由FPGA通過兩路BNC接口對(duì)外部計(jì)數(shù)源進(jìn)行計(jì)數(shù)，并將數(shù)據(jù)在DDRRAM內(nèi)進(jìn)行緩沖，較終將這些數(shù)據(jù)通過網(wǎng)口發(fā)送到PC機(jī)。

2．2 主要元器件介紹
2．2．1 FPGA芯片及其配置芯片選用
    FPGA選用Xilinx公司的Spartan-3E系列XC3S500E，采用先進(jìn)的90nm制造工藝生產(chǎn)，其器件密度為50萬門。Spartan3系列的FPGA是Xilinx公司專門針對(duì)大容量、低成本需求的電子設(shè)計(jì)而開發(fā)的，可支持多種電平的I／O標(biāo)準(zhǔn)；含有豐富的邏輯資源。XC3S500E具有360kbits的塊RAM、73kbits的分布式RAM、10476個(gè)邏輯單元、20個(gè)18×18的乘法器和4個(gè)DCM時(shí)鐘管理模塊。
    FPGA的配置芯片選用的是Xilinx公司的在系統(tǒng)可編程配置芯片XCF04S，該芯片可為XC3S500E提供易于使用、成本低且可重復(fù)編程的配置數(shù)據(jù)存貯方法，該芯片支持IEEE1149．1標(biāo)準(zhǔn)的JTAG邊界掃描測(cè)試和編程。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，XCF04S主要存放用于引導(dǎo)Microblaze軟核及應(yīng)用程序的引導(dǎo)代碼。
2．2．2 存儲(chǔ)芯片
    系統(tǒng)使用的RAM是Micron Technology公司的DDRSDRAM(MT46V32M16)，是一片容量為512Mbit(32Mx16)的16位總線寬度存儲(chǔ)芯片，用于上電后加載Microblaze軟核代碼和應(yīng)用程序代碼，以及對(duì)計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖。FLASH芯片是Intel StrataFlash parallel NORFlash，型號(hào)為28F256J3，存儲(chǔ)密度為256Mbit，在本系統(tǒng)中用于保存Microblaze軟核代碼和應(yīng)用程序代碼。

3 功能設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
3．1 基于EDK的FPGA軟核Microblaze的應(yīng)用設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
    系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具主要采用Xilinx公司的嵌入式開發(fā)套件EDK，它是用于設(shè)計(jì)嵌入式處理系統(tǒng)的集成解決方案。它包括搭建硬件平臺(tái)的XPS和進(jìn)行軟件配置的SDK。
    Microblaze是Xilinx公司推出的32位軟處理器核，支持CoreConnect總線的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)集合。MicroBlaze處理器運(yùn)行在150MHz時(shí)鐘下，可提供125 D-MIPS的性能，這種高效的軟核在本系統(tǒng)中可用于實(shí)現(xiàn)處理器功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)數(shù)IP核的配置，以及支撐Xilinx的clockgenerator、Et-hernet等IP核。系統(tǒng)對(duì)計(jì)數(shù)器的實(shí)現(xiàn)采用Verilog語言將計(jì)數(shù)功能編寫為IP核，將其通過FSL總線掛在Microblaze軟核上，以實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2．2 主要元器件介紹
2．2．1 FPGA芯片及其配置芯片選用
    FPGA選用Xilinx公司的Spartan-3E系列XC3S500E，采用先進(jìn)的90nm制造工藝生產(chǎn)，其器件密度為50萬門。Spartan3系列的FPGA是Xilinx公司專門針對(duì)大容量、低成本需求的電子設(shè)計(jì)而開發(fā)的，可支持多種電平的I／O標(biāo)準(zhǔn)；含有豐富的邏輯資源。XC3S500E具有360kbits的塊RAM、73kbits的分布式RAM、10476個(gè)邏輯單元、20個(gè)18×18的乘法器和4個(gè)DCM時(shí)鐘管理模塊。
    FPGA的配置芯片選用的是Xilinx公司的在系統(tǒng)可編程配置芯片XCF04S，該芯片可為XC3S500E提供易于使用、成本低且可重復(fù)編程的配置數(shù)據(jù)存貯方法，該芯片支持IEEE1149．1標(biāo)準(zhǔn)的JTAG邊界掃描測(cè)試和編程。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，XCF04S主要存放用于引導(dǎo)Microblaze軟核及應(yīng)用程序的引導(dǎo)代碼。
2．2．2 存儲(chǔ)芯片
    系統(tǒng)使用的RAM是Micron Technology公司的DDRSDRAM(MT46V32M16)，是一片容量為512Mbit(32Mx16)的16位總線寬度存儲(chǔ)芯片，用于上電后加載Microblaze軟核代碼和應(yīng)用程序代碼，以及對(duì)計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖。FLASH芯片是Intel StrataFlash parallel NORFlash，型號(hào)為28F256J3，存儲(chǔ)密度為256Mbit，在本系統(tǒng)中用于保存Microblaze軟核代碼和應(yīng)用程序代碼。

3 功能設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
3．1 基于EDK的FPGA軟核Microblaze的應(yīng)用設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
    系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具主要采用Xilinx公司的嵌入式開發(fā)套件EDK，它是用于設(shè)計(jì)嵌入式處理系統(tǒng)的集成解決方案。它包括搭建硬件平臺(tái)的XPS和進(jìn)行軟件配置的SDK。
    Microblaze是Xilinx公司推出的32位軟處理器核，支持CoreConnect總線的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)集合。MicroBlaze處理器運(yùn)行在150MHz時(shí)鐘下，可提供125 D-MIPS的性能，這種高效的軟核在本系統(tǒng)中可用于實(shí)現(xiàn)處理器功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)數(shù)IP核的配置，以及支撐Xilinx的clockgenerator、Et-hernet等IP核。系統(tǒng)對(duì)計(jì)數(shù)器的實(shí)現(xiàn)采用Verilog語言將計(jì)數(shù)功能編寫為IP核，將其通過FSL總線掛在Microblaze軟核上，以實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能。

    由于FSL總線是單向的，所以系統(tǒng)中采用了兩條FSL總線，實(shí)現(xiàn)Mieroblaze到計(jì)數(shù)IP核之間的雙向通訊，計(jì)數(shù)IP核在面對(duì)兩條FSL總線時(shí)，擔(dān)當(dāng)?shù)姆謩e是MASTER(主)和SLAVE(從)兩種角色。因此，fsloprt．v的代碼應(yīng)該同時(shí)滿足與FSL總線接口的讀和寫時(shí)序。讀寫時(shí)序如圖8和圖9所示。

3．4 計(jì)數(shù)IP核和FSL總線的在EDK中的連接實(shí)現(xiàn)
    為了能使用FSL總線，首先應(yīng)該在XPS圖形界面中對(duì)Microblaze進(jìn)行配置，在Buses中將Number of FSL Links設(shè)置為1。再在IP Catalog中將FSL總線加入到工程中兩次。
    在計(jì)數(shù)IP核編寫后并綜合通過后，將該IP核導(dǎo)入到XPS工程中。
    在XPS中，分別對(duì)Microblaze和計(jì)數(shù)IP核的MFSL和SFSL進(jìn)

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