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。 在现代数字系统设计中，FPGA（Field-Programmable Gate Array）与ARM（Advanced RISC Machines）处理器的结合已经成为一种常见的架构，因为它们能够互补各自的优势。FPGA以其高速数据处理能力见长，而ARM则负责系统的流程控制、人机交互、外部通信以及对FPGA的控制。在I2C、SPI等串行总线接口无法满足高速大量数据传输需求的情况下，采用并行总线成为理想的解决方案。 本文基于FPGA的ARM并行总线设计与仿真分析，探讨了如何构建这种高速数据传输路径。以ARM处理器LPC2478和FPGA器件EP2C20Q240为例，设计了一条32位宽的数据总线，并在FPGA内部集成了一块1024x32bits的SRAM高速存储缓冲器，以实现ARM对FPGA内部数据的快速读写。 ARM并行总线的工作原理主要包括地址总线、数据总线和多种控制信号，例如片选（CS）、写使能（WE）、读使能（OE）等。在读操作时序中，CS为低电平时读写操作进行，而WE和OE信号不能同时为低以避免冲突。双向数据总线DATA要求FPGA同时具备数据的接收和发送能力，设计时需确保满足信号的建立时间和保持时间，以保证读写操作的稳定性。 在FPGA的并行总线设计中，首先考虑端口设计，包括输入（IN）、输出（OUT）和双向（INOUT）端口。例如，ADDR作为地址总线，DATA为双向数据总线，OE、WE和CS作为控制信号。由于FPGA内部使用32位SRAM，无需字节组选择，所以BLS信号可忽略。为了提高数据传输效率，SRAM采用了双口RAM结构，允许同时进行读写操作。在VHDL编程中，遵循特定设计原则，将顶层设计的双向端口在底层模块中转化为单向输入和输出，通过添加方向控制信号实现灵活的数据流向控制。 通过QuartusII软件进行仿真，可以分析FPGA并行总线的时序性能。仿真结果显示，设计的总线接口满足ARM的并行总线时序要求，工作稳定，验证了设计的正确性和可行性。此外，SignalTapII逻辑分析工具进一步提供了在线测试，确认了总线时序的正确运行。 基于FPGA的ARM并行总线设计是一项关键技术，它解决了高速数据传输的问题，为复杂的数字系统提供了高效的信息交换路径。通过精心设计和仿真验证，可以确保系统在实际应用中的高性能和可靠性。