基于FPGA的Picoblaze核实现Modbus通信协议

摘要：给出了一种在Xinlinx的Spartan-3E评估板上实现Modbus通信协议的方法。该方法以PC为上位机，并在评估板上嵌入Picoblaze软核作为下位机来实现Modbus通信协议的功能。文中同时介绍了使用Xilinx ISE和Picoblaze软核进行开发的方法。
关键词：Modbus通信协议；Picoblaze核；FPGA；Spartan-3E评估板

0 引言
目前，从各大FPGA厂商公布的销售数据来看，Xilinx的FPGA市场份额占到了近50％。Spartan-3E系列的器件密度范围为10万到160万系统门，其单位逻辑单元的成本是FPGA行业中最低的，能够以标准产品价格实现微处理器、微控制器和数字信号处理器的功能，并可支持18种通用I／O标准，还可通过ISE来操作PicoBlaze软核。Spartan-3E同时结合了强大的平台FPGA功能和超低价位。因而可使更多的设计人员享受可编程能力所带来的益处。

1 Picoblaze核结构
本文采用Xilinx公司的Spartan-3E评估板及其PicoBlaze IP核来进行基于Modbus通信协议的系统设计。该系统的整体结构是以PC做为上位机，并在评估板上嵌入Picoblaze软核作为下位机，从而实现Modbus通信协议。PicoBlaze是Xilinx公司的一款8bit微控制器软核，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。对于整个指令集，PicoBlaze执行一条指令需要2个时钟周期。
在对PicoBlaze进行开发时，首先需要将PicoBlaze认识并执行的程序经过Assembler转换成相应的HDL文件并存放在FPGA内部的Block Memory中(因此，PicoBlaze执行一条指令所需的时钟周期是固定的)。然后，微控制器核心KCPSM3再从Block Memory里面读取程序并按顺序执行。PicoBlaze的存储空间为1024x18bit，也就是说，它能够存放1024条位长为18的指令。而PicoBlaze支持的指令集也很精简(只有57条)，其中包含程序控制类(跳转，调用，返回)、算数类(加，减，比较)、逻辑类(与，或，异或)、中断类(中断开启／关闭)，移位／旋转类(左移／右移，左旋／右旋)和输入／输出类(输入，输出)。PicoBlaze核的结构框架如图1所示。

图2是微控制器核心KCPSM3的结构框架图。KCPSM3中一共有16个长度为8位的通用寄存器，每个寄存器都可以在汇编代码中分别命名。其中，Scratch Pad Memory的大小为64 Bytes，作用相当于一块临时存储区。KCPSM3只支持1个中断信号，但实际上可以将多个中断信号用逻辑组合的方式变成一个来使用(会降低单中断通道的性能)。