基于FPGA的ARM并行总线设计与仿真分析

　　在数字系统的设计中，FPGA+ARM的系统架构得到了越来越广泛的应用，FPGA主要实现高速数据的处理；ARM主要实现系统的流程控制。人机交互。外部通信以及FPGA控制等功能。I2C、SPI等串行总线接口只能实现FPGA和ARM之间的低速通信; 当传输的数据量较大。要求高速传输时，就需要用并行总线来进行两者之间的高速数据传输。

　　下面基于ARM处理器LPC2478 以及FPGA器件EP2C20Q240，以ARM外部总线的读操作时序为例，研究两者之间高速传输的并行总线；其中，数据总线为32位；并在FPGA内部构造了1024x32bits的SRAM高速存储缓冲器，以便于ARM处理器快速读写FPGA内部数据。

　　1 ARM并行总线的工作原理

　　ARM处理器LPC2478的外部并行总线由24根地址总线。32根数据总线和若干读写、片选等控制信号线组成。根据系统需求，数据总线宽度还可以配置为8位，16位和32位等几种工作模式。

　　在本设计中，用到ARM外部总线的信号有：CS.WE.OE.DATA［310］.ADDR［230］.BLS等。CS为片选信号，WE为写使能信号，OE 为读使能信号，DATA为数据总线，ADDR地址总线，BLS为字节组选择信号。ARM的外部总线读操作时序图，分别如图1所示。

　　

　　根据ARM外部并行总线操作的时序，ARM外部总线的读写操作均在CS为低电平有效的情况下进行。由于读操作和写操作不可能同时进行，因此WE和OE信号不能同时出现低电平的情况。

　　数据总线DATA是双向的总线，要求FPGA也要实现双向数据的传输。在时序图中给出了时序之间的制约关系，设计FPGA时应该满足ARM信号的建立时间和保持时间的要求，否则可能出现读写不稳定的情况。

　　2 FPGA的并行总线设计

　　2.1 FPGA的端口设计

　　FPGA 和ARM之间的外部并行总线连接框图，如图2所示。由于FPGA内部的SRAM存储单元为32位，不需要进行字节组的选择，因此BLS信号可以不连接。为了便于实现ARM和FPGA之间数据的快速传输，FPGA内部的SRAM既要与ARM处理器进行读写处理，还要跟FPGA内部的其他逻辑模块进行数据交换，因此SRAM采用双口RAM来实现。

　　

　　从端口的方向特性看，DATA端口是INOUT（双向）方式，其余端口均为IN（输入）方式。从端口的功能看，clk20m是全局时钟，在实现时应采用 FPGA的全局时钟网络，这样可以有效减少时钟延时，保证FPGA时序的正确性。ADDR是16位的地址总线，由ARM器件输入到FPGA。DATA是 32位的双向数据总线，双向总线的设计是整个设计的重点。OE为ARM输入到FPGA的读使能信号。

　　WE为ARM输入到FPGA的写使能信号。CS为ARM输入到FPGA的片选信号，FPGA没有被ARM选中时必须输出高阻态，以避免总线冲突。