CPU数字通信接口和FPGA进行数据通信设计实现

在进行FPGA设计时候，除了一些算法\验证等应用，其他情况下都需要FPGA和控制器进行数据交互（通信）。

通用一点说，所有CPU的数字通信接口都可以和FPGA进行通信，在这里我们将相关接口简单分类，这里的接口主要指板间通信，像422、485之类的就不展开描述（协议层都是uart）。

低速接口

低速接口时单片机常用的接口，在和FPGA对接时候主要进行小数据量的通信。

低速接口的优点就是简单，易于实现；缺点也是显而易见，就是通信带宽不高，无法进行大数据量通信。

这里就简单说下SPI和UART，其中SPI是一种同步通信协议，UART是异步通信协议，区别就是有没有共享时钟信号。

这两个协议的使用可以参考下面的通信方式：假设FPGA和CPU之间进行通信，FPGA需要将XADC采集的电压电流传输给CPU做健康管理，这里由两点需要注意：一是传输不需要实时；二是数据量不大，所以选择低速接口较合适，选择SPI和UART时候传输的区别如下：

SPI接口：

FPGA的MISO需要反馈数据时候，同步的将数据反馈给CPU，如果MOSI不发送数据，则MISO也不能主动发送数据。

UART接口

对于UART就比较好理解了，CPU和FPGA协定好波特率，FPGA想要发送数据时候就将数据发给CPU即可（CPU需要利用中断触发接受数据）。

LPC

最后简单说下LPC（Low Pin Count），LPC常见的是在X86体系里常见的接口，主要用在南桥和EC之间通信（想想当年设计的笔记本还是挺虐的~），EC控制的矩阵键盘等通过LPC发送给南桥。

目前我应用的比较多的是和FT CPU之间进行通信，这方面用的比较少就不过多介绍了。

低速接口实现

关于这几个协议的实现，可以看下下面的文章，其中UART中详细介绍了RS232和UART区别。

一天一个设计实例-3万字讲解UART和实例

一天一个设计实例-IIC协议及FPGA实现

一天一个设计实例-SPI协议及FPGA实现

接下来就是高速接口

高速接口

FPGA中通过Serdes可以实现大部分高速接口。常见的就是PCIe和SRIO，在ZYNQ中还有AXI非常常用。

对于PowerPC则可以使用PLB；Intel最新的FPGA则QPI也是比较常用的。

对于传输视频：MIPI、BT.656、BT.1120这些接口也是非常常见的。

高速接口我们只介绍PCIe，这也是非常常见的数据通信接口，在加速卡、数据中心，都是核心。

PCIe的难点在于整体架构和CPU端的驱动，目前用于PCIe架构常用的就是DMA，至于原因，就不分析了，反正就是优势非常明显。

大家对于PCIe还处于“恐慌”的状态，但是大家不必担心，下面给大家介绍几个常用的架构：

上面的基于PCIe的项目，都是非常成熟的架构，也是目前能在FPGA流行PCIe接口的主要原因，其中这些架构都在很多工程中得到应用。

RIFFA和Alex的可以查看下面文章介绍：

优秀的 Verilog/FPGA开源项目介绍（一）-PCIe通信

下面是XILLYBUS的架构：

总结

上面的介绍只有一部分常用接口，还有其他很多不常用的总线，像FSB总线、HT总线、DMI总线等，也是可以实现CPU和FPGA之间通信。

原作者： 碎碎思