許多FPGA設(shè)計使用嵌入式處理器進行控制。典型的解決方案涉及使用諸如Nios的軟處理器，盡管具有內(nèi)置硬處理器的FPGA SoC也變得流行。圖1顯示了典型的Altera FPGA系統(tǒng)，其中包含處理器和通過Altera的 Avalon 存儲器映射（MM）總線連接的外設(shè)組合。這些處理器極大地簡化了最終應(yīng)用程序，但需要強大的編程背景和復(fù)雜工具鏈的知識。這可能會妨礙調(diào)試，特別是如果硬件工程師需要一種簡單的方法來讀取和寫入外設(shè)而不會影響軟件工程師。

圖1使用Avalon內(nèi)存映射總線連接的典型Altera FPGA系統(tǒng)

本設(shè)計方案使用Altera的 SPI Slave to Avalon MM Bridge 提供了一種跳轉(zhuǎn)到Avalon總線的簡單方法。這種技術(shù)有兩個優(yōu)點：它不會損害原始系統(tǒng)設(shè)計，并且橋接器可以與嵌入式處理器共存。對于圖1中所示的系統(tǒng)，SPI橋允許工程師直接控制LTC6948小數(shù)N分頻PLL的頻率，設(shè)置LTC1668 DAC電壓，讀取LTC2498 ADC的電壓或讀取來自LTC2983的溫度，就像處理器一樣。

圖2熒光筆+示例代碼+反向工程= Python腳本（可縮放圖像）

Altera為SPI-Avalon MM橋提供參考設(shè)計。不幸的是，文檔最多是稀疏的，并使用Nios處理器作為SPI主控制器。這有效地破壞了SPI橋的目的，因為

Nios可以直接連接到Avalon MM總線。實用的SPI主控制器是凌力爾特公司的微控制器，它是一個Arduino克隆，具有與LT演示板接口的額外功能。一個額外的功能是電平轉(zhuǎn)換的SPI端口。當(dāng)電壓低至1.2V的FPGA I/O bank接口時，這種電平轉(zhuǎn)換功能特別有用。 Linduino固件可用于通過虛擬COM端口接受命令，并將命令轉(zhuǎn)換為SPI事務(wù)。

對Altera示例設(shè)計進行逆向工程后（圖2的左側(cè)），開發(fā)了一個Python庫來創(chuàng)建橋接器可以接受的數(shù)據(jù)包。然后將這些數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換為Linduino命令。然后，Python腳本允許硬件工程師完全控制項目，而無需重新構(gòu)建接口協(xié)議。 LinearLabTools Python文件夾中提供了一個示例Python腳本，用于控制LTC1668 DAC的數(shù)字碼型發(fā)生器的頻率。圖3顯示演示設(shè)置。

圖3DC2459 DAC演示板（R）插入FPGA板（L）

圖4顯示系統(tǒng)框圖。注意，數(shù)控振蕩器（NCO）可以由移位寄存器或PIO內(nèi)核控制。包含移位寄存器用于調(diào)試，因為它允許直接控制NCO。將GPIO線設(shè)置為高電平可啟用SPI-Avalon橋，后者又控制Avalon總線上的32位PIO端口。然后，PIO輸出控制NCO頻率。

圖4FPGA系統(tǒng)框圖

在基本系統(tǒng)運行的情況下，可以將額外的外圍核心連接到總線。為了設(shè)計系統(tǒng)，Altera提供了一個名為Qsys的工具，它提供了一個GUI來連接IP。 Qsys將GUI設(shè)計的系統(tǒng)（圖5）轉(zhuǎn)換為HDL。外設(shè)地址是完全可配置的。在這種情況下，PIO設(shè)置為0x0的基數(shù)。

圖5Qsys GUI

一旦設(shè)計在FPGA中實現(xiàn)，LinearLabTools中提供的Python庫包含兩個與設(shè)計接口的函數(shù)：

transaction_write（dc2026，base，write_size，data）

transaction_read（dc2026，base，read_size）

這些函數(shù)的第一個參數(shù)是Linduino串口實例。第二個參數(shù)是Avalon總線上的外設(shè)地址。函數(shù)分別接受和返回字節(jié)列表。編寫這兩個函數(shù)是為了在寫入和讀取IP時具有靈活性。要為所提供的示例設(shè)置NCO，需要transaction_write功能。公式1用于確定調(diào)諧字。

將NCO設(shè)置為1kHz使用50MSPS采樣率時，調(diào)整值為85899或0x00014F8B，它作為四個字節(jié)的列表傳遞。因此，將DAC設(shè)置為1kHz的python代碼是：

transaction_write（linduino_serial_instance，0,0，[0x0,0x01,0x4F，0x8B ]）

圖6Python Avalon總線示例

圖6中的Python腳本說明了簡單文本配置NCO的接口。一個重要的注意事項：橋接器使用SPI模式3.通過反復(fù)試驗確定了正確的模式，并通過分析Altera示例中的Nios處理器的SPI接口進行了驗證。