在數字系統的設計中，FPGA+ARM的系統架構得到了越來越廣泛的應用，FPGA主要實現高速數據的處理；ARM主要實現系統的流程控制。人機交互。外部通信以及FPGA控制等功能。I2C、SPI等串行總線接口只能實現FPGA和ARM之間的低速通信； 當傳輸的數據量較大。要求高速傳輸時，就需要用并行總線來進行兩者之間的高速數據傳輸。

下面基于ARM處理器LPC2478 以及FPGA器件EP2C20Q240，以ARM外部總線的讀操作時序為例，研究兩者之間高速傳輸的并行總線;其中，數據總線為32位；并在FPGA內部構造了1024x32bits的SRAM高速存儲緩沖器，以便于ARM處理器快速讀寫FPGA內部數據。

1 ARM并行總線的工作原理

ARM處理器LPC2478的外部并行總線由24根地址總線。32根數據總線和若干讀寫、片選等控制信號線組成。根據系統需求，數據總線寬度還可以配置為8位，16位和32位等幾種工作模式。

在本設計中，用到ARM外部總線的信號有：CS.WE.OE.DATA[310].ADDR[230].BLS等。CS為片選信號，WE為寫使能信號，OE 為讀使能信號，DATA為數據總線，ADDR地址總線，BLS為字節組選擇信號。ARM的外部總線讀操作時序圖，分別如圖1所示。

根據ARM外部并行總線操作的時序，ARM外部總線的讀寫操作均在CS為低電平有效的情況下進行。由于讀操作和寫操作不可能同時進行，因此WE和OE信號不能同時出現低電平的情況。

數據總線DATA是雙向的總線，要求FPGA也要實現雙向數據的傳輸。在時序圖中給出了時序之間的制約關系，設計FPGA時應該滿足ARM信號的建立時間和保持時間的要求，否則可能出現讀寫不穩定的情況。

2 FPGA的并行總線設計

2.1 FPGA的端口設計

FPGA 和ARM之間的外部并行總線連接框圖，如圖2所示。由于FPGA內部的SRAM存儲單元為32位，不需要進行字節組的選擇，因此BLS信號可以不連接。為了便于實現ARM和FPGA之間數據的快速傳輸，FPGA內部的SRAM既要與ARM處理器進行讀寫處理，還要跟FPGA內部的其他邏輯模塊進行數據交換，因此SRAM采用雙口RAM來實現。

從端口的方向特性看，DATA端口是INOUT(雙向)方式，其余端口均為IN(輸入)方式。從端口的功能看，clk20m是全局時鐘，在實現時應采用 FPGA的全局時鐘網絡，這樣可以有效減少時鐘延時，保證FPGA時序的正確性。ADDR是16位的地址總線，由ARM器件輸入到FPGA。DATA是 32位的雙向數據總線，雙向總線的設計是整個設計的重點。OE為ARM輸入到FPGA的讀使能信號。

WE為ARM輸入到FPGA的寫使能信號。CS為ARM輸入到FPGA的片選信號，FPGA沒有被ARM選中時必須輸出高阻態，以避免總線沖突。

2.2 FPGA的雙向總線設計

在 FPGA的并行總線設計中，如果頂層和底層的模塊都要用到雙向的IO端口，則要遵守設計原則；否則不利于VHDL程序的綜合。雙向IO端口的設計原則是：只有頂層設計才能用INOUT類型的端口，在底層模塊中應把頂層的INOUT端口轉化為獨立的IN(輸入)。OUT(輸出)端口并加上方向控制端口。頂層設計的VHDL代碼如下：

其中，DATA_i.DATA_o和output_en均為FPGA內部的信號，在內部的各層次模塊中，通過這三個信號就可以進行單向的IO控制。這樣，頂層設計中雙向的DATA端口轉化為了內部單向的DATA_i(輸入)。DATA_o(輸出)和output_en(輸出使能)。在內部各模塊中，結合這三個信號以及ADDR。OE。WE。CS等信號，則可方便地實現ARM總線接口的功能。實現的VHDL關鍵代碼如下：

3 仿真結果分析

通過QuartusII仿真工具，對FPGA并行總線進行時序仿真；仿真結果如圖3所示。根據ARM并行總線的讀寫時序圖要求，從仿真結果可以看出FPGA的總線接口設計滿足了設計的要求。由于選用的FPGA器件內部帶有邏輯分析儀的功能模塊，通過QuartusII軟件中的SignalTapII邏輯分析工具，對FPGA的設計模塊進行在線測試，發現總線時序了滿足ARM并行總線的要求，且工作穩定，從另一個角度驗證了設計和仿真結果的正確性。

4 結論

由于FPGA技術和ARM技術應用越來越廣泛，通過設計并行總線接口來實現兩者之間的數據交換，可以較容易地解決快速傳輸數據的需求，因此設計滿足系統要求的FPGA并行總線顯得尤為重要。本文設計的FPGA的ARM外部并行總線接口，滿足了總線的時序要求，并在某航空機載雷達應答機中進行了應用，系統運行穩定，性能良好。以上的設計和仿真方法，對其他類似的設計也有一定的參考作用。