基于FPGA的Picoblaze核實現Modbus通信協議

摘要：給出了一種在Xinlinx的Spartan-3E評估板上實現Modbus通信協議的方法。該方法以PC為上位機，并在評估板上嵌入Picoblaze軟核作為下位機來實現Modbus通信協議的功能。文中同時介紹了使用Xilinx ISE和Picoblaze軟核進行開發的方法。
關鍵詞：Modbus通信協議；Picoblaze核；FPGA；Spartan-3E評估板

0 引言
目前，從各大FPGA廠商公布的銷售數據來看，Xilinx的FPGA市場份額占到了近50％。Spartan-3E系列的器件密度范圍為10萬到160萬系統門，其單位邏輯單元的成本是FPGA行業中最低的，能夠以標準產品價格實現微處理器、微控制器和數字信號處理器的功能，并可支持18種通用I／O標準，還可通過ISE來操作PicoBlaze軟核。Spartan-3E同時結合了強大的平臺FPGA功能和超低價位。因而可使更多的設計人員享受可編程能力所帶來的益處。

1 Picoblaze核結構
本文采用Xilinx公司的Spartan-3E評估板及其PicoBlaze IP核來進行基于Modbus通信協議的系統設計。該系統的整體結構是以PC做為上位機，并在評估板上嵌入Picoblaze軟核作為下位機，從而實現Modbus通信協議。PicoBlaze是Xilinx公司的一款8bit微控制器軟核，它非常之小。可以嵌入到Cool RunnerⅡ，Virtex-E，Virtex-II(Pro)和Spartan-3E的CPLD以及FPGA中。對于整個指令集，PicoBlaze執行一條指令需要2個時鐘周期。
在對PicoBlaze進行開發時，首先需要將PicoBlaze認識并執行的程序經過Assembler轉換成相應的HDL文件并存放在FPGA內部的Block Memory中(因此，PicoBlaze執行一條指令所需的時鐘周期是固定的)。然后，微控制器核心KCPSM3再從Block Memory里面讀取程序并按順序執行。PicoBlaze的存儲空間為1024x18bit，也就是說，它能夠存放1024條位長為18的指令。而PicoBlaze支持的指令集也很精簡(只有57條)，其中包含程序控制類(跳轉，調用，返回)、算數類(加，減，比較)、邏輯類(與，或，異或)、中斷類(中斷開啟／關閉)，移位／旋轉類(左移／右移，左旋／右旋)和輸入／輸出類(輸入，輸出)。PicoBlaze核的結構框架如圖1所示。

圖2是微控制器核心KCPSM3的結構框架圖。KCPSM3中一共有16個長度為8位的通用寄存器，每個寄存器都可以在匯編代碼中分別命名。其中，Scratch Pad Memory的大小為64 Bytes，作用相當于一塊臨時存儲區。KCPSM3只支持1個中斷信號，但實際上可以將多個中斷信號用邏輯組合的方式變成一個來使用(會降低單中斷通道的性能)。