基于FPGA的小型CPU中通信协议的研究及IP Core的开发

摘要

FPGA作为新一代集成电路的出现，引起了数字电路设计的巨大变革。随着FPGA工艺的不断更新与改善，越来越多的用户与设计公司开始使用FPGA进行系统开发，因此，PFAG的市场需求也越来越高，从而使得FPGA的集成电路板的工艺发展也越来越先进，在如此良性循环下，不久的将来，FPGA可以主领集成电路设计领域。正是由于FPGA有着如此巨大的发展前景与市场吸引力，因此，本文采用FPGA作为电路设计的首选。 随着FPGA的开发技术日趋简单化、软件化，从面向硬件语言的VHDL、VerilogHDL设计语言，到现在面向对象的System Verilog、SystemC设计语言，硬件设计语言开始向高级语言发展。作为一个软件设计人员，会很容易接受面向对象的语言。现在软件的设计中，算法处理的瓶颈就是速度的问题，如果采用专用的硬件电路，可以解决这个问题，本文在第一章第二节详细介绍了软硬结合的开发优势。另外，在第一章中还介绍了知识产权核心（IP Core）的发展与前景，特别是IP Core中软核的设计与开发，许多FGPA的开发公司开始争夺软核的开发市场。 数字电路设计中最长遇到的就是通信的问题，而每一种通信方式都有自己的协议规范。在CPU的设计中，由于需要高速的处理速度，因此其内部都是用并行总线进行通信，但是由于集成电路资源的问题，不可能所有的外部设备都要用并行总线进行通信，因此其外部通信就需要进行串行传输。又因为需要连接的外部设备的不同，因此就需要使用不同的串行通信接口。本文主要介绍了小型CPU中常用的三种通信协议，那就是SPI、I2C、UART。除了分别论述了各自的通信原理外，本文还特别介绍了一个小型CPU的内部构造，以及这三个通信协议在CPU中所处的位置。 在硬件的设计开发中，由于集成电路本身的特殊性，其开发流程也相对的复杂。本文由于篇幅的问题，只对总的开发流程作了简要的介绍，并且将其中最复杂但是又很重要的静态时序分析进行了详细的论述。在通信协议的开发中，需要注意接口的设计、时序的分析、验证环境的搭建等，因此，本文以SPI数据通信协议的设计作为一个开发范例，从协议功能的研究到最后的验证测试，将FPGA的开发流程与关键技术等以实例的方式进行了详细的论述。在SPI通信协议的开发中，不仅对协议进行了详细的功能分析，而且对架构中的每个模块的设计都进行了详细的论述。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1 FPGA的发展与前景

1.2 软硬结合的发展优势

1.3 开发模式的选择

1.4 IP Core的发展背景

1.5 本文主要研究的内容和开展的工作

1.6本文的组织结构

第2章 小型CPU中的数据通信协议

2.1 小型CPU的一般构造

2.2 SPI数据通信协议

2.2.1工作方式的分析

2.2.2工作原理的分析

2.3 12C数据通信协议

2.3.1工作方式的分析

2.3.2工作原理的分析

2.4 UART数据通信协议

2.4.1工作方式的分析

2.4.2工作原理的分析

第3章 FPGA的开发流程

3.1 开发流程概述

3.2静态时序分析

3.2.1 时序路径

3.2.2优化方法

第4章 SPI(主设备)的架构设计

4.1 环境说明

4.2 功能分析

4.3 接口设计

4.4总体架构图

4.5 总体动作时序图

第5章 SPI(主设备)的详细设计

5.1 User I／F Control模块详细设计

5.2 Port Control模块详细设计

第6章 SPI(主设备)的功能验证

6.1 验证环境

6.2模拟上位机模块

6.3 模拟下位机模块

6.4综合模块

第7章 总结与展望

参考文献

致 谢