Efektywna komunikacja ARM-FPGA z użyciem interfejsu SPI

摘要

W systemach wbudowanych użycie niezależnego procesora ARM oraz układu FPGA umożliwia uzyskanie dużo większej elastyczności projektowania oraz lepszej wydajności niż w przypadku systemów homogenicznych (opartych na tylko jednej platformie). Wadą takiego rozwiązania jest konieczność zapewnienia wydajnej, szybkiej komunikacji, która w omawianym przypadku została zrealizowana poprzez interfejs SPI. Aby uzyskać większą przepustowość danych zaprojektowano dedykowany moduł sprzętowy wewnątrz układu FPGA obsługujący interfejs SPI, pracujący jako urządzenie typu slave po stronie interfejsu SPI oraz master na magistrali PLB (Processor Local Bus).%Implementation of fast and reliable data transfer between an FPGA and a processor is a significant challenge for a designer of heterogeneous embedded systems. In the presented system two separate Printed Circuit Boards (PCB) are employed: ARM-based OMAP3530 [4] and FPGA Spartan3 [2], SPI (Serial Peripheral Interface) [5] is used as a communication interface due to the OMAP3530 limitations in communication interface choice. For the FPGA module, Xilinx Embeded Development Kit (EDK) and soft-processor MicroBlaze are used. The EDK delivers SPI hardware module [9] compatible with the Processor Local Bus (PLB). Nevertheless, this module employs slave interface on the PLB therefore requires the soft-processor MicroBlaze interaction which limits the transfer speed. Consequently, a dedicated hardware module compatible with the PLB and EDK was designed. This module employs master interface on the PLB bus and slave interface on the SPI interface and is further denoted as the xps_spi_master. As a result, the MicroBlaze is not engaged in the data transfer and, therefore, the transfer speed is significantly larger (which resulted in significant increase in the data throughput). FPGA does not generate any wait states and therefore the SPI transfer protocol is simplified. The SPI clock speed is 24 MHz and the measured data transfer is roughly 2 MB/s. Summing up, the designed module xps_spi_master significantly speed-ups data transfer and consumes significantly lower FPGA resources in comparison to the original EDK solution, which employs the MicroBlaze and PLB-slave-based SPI interface.