原创 Nios II的USB接口模块设计

1.  引言
    随着电路规模越来越大，片上系统（SoC）已经成为IC设计的发展趋势，相应地也有了更加灵活的片上可编程系统（SOPC）。Nios II CPU是一个基于流水线设计的通用RISC微处理器，拥有五级流水线和指令与数据内存分开的哈佛结构，具有可配置功能。用户可以根据需求在SOPC Builder中增减IP核，从而实现资源优化。为了构建一个更简洁高效的片上系统，用户可以自行开发IP组件，作为用户自定义逻辑添加到AVALON总线[1]。AVALON总线是一种结构相对简单的总线，用于连接Nios II和其他外设。它规定了主从部件间的端口连接关系，以及部件间通信的时序关系。
    AVALON总线拥有多种传输模式，以适应不同外设要求。基本传输模式是在主从外设之间进行单字节，半字或字的传输。AVALON总线还支持一些高级传输模式，例如支持流操作，支持延时操作，支持多个主设备同时访问。

2.用户自定义逻辑模块设计流程
    通常来说，EDA厂商及第三方提供的IP核都是通用的，但进行SOPC设计时，用户可能有特殊需求，这时必须使用用户自定义逻辑来实现所要的功能。SOPC Builder集成在Altera公司的EDA工具Quartus II中。用户可以通过SOPC Builder提供的图形用户界面从Altera公司提供的IP库中选取一些组件，如Nios II，DMA，SRAM，FLASH等等，根据实际需要设置这些IP的配置参数。用户还可以自己编写HDL代码模块作为用户自定义逻辑方便地添加到SOPC Builder中，设计流程如图1所示。
 

3.USB接口模块的添加
    这里以常用的USB控制芯片SL811HS为例详细介绍如何在Nios II中添加用户自定义模块。图2是系统结构图。
 
3.1 USB控制芯片介绍
    SL811HS 是Cypress 公司的嵌入式USB host/slave 接口芯片，支持USB1.1 的全速和低速设备。提供USB 主机的硬件接口及总线管理机制，片内集成SIE、USB 收发器和根HUB，能够完成嵌入式USB 主机所需的功能。
    SL811HS的地址和数据均通过ad[7..0]分时传输，通过a0（数据/地址选择线）电平的高低加以区分，当a0置为低电平时，ad[7..0]上传输的是SL811片内寄存器/缓冲区的地址；反之高电平则为数据。nwr、nrd、ncs、nrst分别为写控制线、读控制线、片选线和复位线，均是低电平有效，Nios II通过这几根控制线完成对SL811HS片内缓冲区读写、片选和复位等操作。intrq是中断请求信号线。当SL811HS检测到外设插入、拔出或者数据发送错误、超时、数据溢出等异常情况时，通过将intrq置高电平通知Nios II。

3.2 USB接口模块设计   
    AVALON总线为用户提供了非常友好的接口，使得系统搭建时的一些细节问题得到屏蔽，大大减轻了系统搭建的工作量。在SL811HS与AVALON总线的接口转换verilog代码中，只需建立SL811HS端口与AVALON总线端口的映射关系即可。nios_intrq、nios_read_n、nios_write_n、nios_cs_n、nios_reset_n、nios_write_data[7..0]、nios_read_data[7..0]、nios_address分别对应NiosII中的中断、读、写、片选、复位、写数据、读数据、地址信号。intrq、nrd、nwr、ncs、nrst、ad[7..0]、a0分别对应SL811HS的中断、读、写、片选、复位、数据/地址线、数据/地址选择信号。如图3所示。
 
 图3 自定义USB接口模块 
     在Quartus II中对模块功能进行仿真，由于SL811HS是数据/地址复用端口，   Nios II对其缓冲区写的时候，先把地址通过nios_write_data[7..0]发送到ad[7..0],然后把数据通过nios_write_data[7..0]发送到ad[7..0]。从SL811HS缓冲区读数据的时候，先把缓冲区地址通过nios_write_data[7..0]发送到ad[7..0],然后通过ad[7..0]读数据到nios_read_data[7..0]中。如图4所示。
 
图4 接口转换模块仿真波形

3.3添加用户自定义逻辑
    在图形用户界面SOPC Builder中，左栏有一项是添加用户逻辑。选择后，在Bus Userface Type 选中Avlaon Register Slave，设置为静态地址对齐方式。加入用户编写的源代码文件，同时指定Verilog代码中各个信号的类型。nios_clk指定为“clk”类型， nios_read_n等指定为“read_n ”类型，nios_write_data[7..0]指定为“writedata” 类型，nios_address指定为“address ”类型，与SL811HS直接相连信号线的都指定为“export”类型。点击Instantiation选择Simulate user logic。再点击Timing，根据SL811HS的时序要求，Setup设置为2，Wait设置为65，Hold设置为5，Unit设置为ns。点击Finish Editing之后，回到主界面，在System Generation中选择SDK和HDL，最后点击Generate。 
    当SOPC Builder生成一个Nios II处理器设计时，会完成以下工作：

1. 
   
2. 系统存储器映像一致性检查。对外设地址和中断优先级进行唯一性验证，检查其是否在CPU的有效访问范围之内。
   
3. 为Nios II系统生成一个定制的软件开发包SDK。

    生成Nios II处理器系统的硬件设计文件*.ptf，可以用这些文件来创建Nios II系统硬件。

3.4 SL811HS读写函数的实现
    读写操作是Nios II与SL811HS最基本的通信方式，Nios II读SL811HS缓冲区数据的时候，先用IOWR函数把所读缓冲区的地址发送给SL811HS，然后调用IORD函数，得到的返回值就是缓冲区的数据。Nios II往SL811HS缓冲区写数据的时候，先发地址，然后调用IOWR函数把数据发送到SL811HS缓冲区的指定地址。在用户工程中的inc/excalibur.h可以找到USB模块对应地址，根据这个地址来实现SL811HS寄存器的读写操作。Nios II每个寄存器占32位，而地址按字节分配，所以每个寄存器使用4个地址，USB模块对应的地址寄存器地址为0x00900c00，数据寄存器地址为0x00900c04。

#define ADDR_REG 0x00900c00
#define DATA_REG 0x00900c04
 sl811_read(u8 reg)
{IOWR(ADDR_REG,0,reg);
return IORD(DATA_REG,0);
}
sl811_write(u8 reg, u8 val)
{IOWR(ADDR_REG,0,reg);
 IOWR(DATA_REG,0,val);
}

4.总结
    本文作者创新点：用verilog编写Nios II用户自定义逻辑模块，实现AVALON总线时序与USB控制器SL811HS的时序转换。同时给出了该模块的底层读写函数。本模块已成功在FPGA上实现视频传输功能。
    SOPC技术利用库，可以快速生成嵌入式系统。同时，可以方便地把用户自定义的逻辑加入到系统中，体现了用设计嵌入式系统的灵活性。此外，还可以通过SOPC Builder向处理器中添加用户自定义的指令，扩充了Nios II指令集。对于原型机的开发，是一种很好的开发方法，且能够快速地生成最终产品，有效地缩短了开发周期。