基于FPGA的PCI總線串口卡設(shè)計(jì)

高曉青，楊瑞峰

(中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院,山西 太原030051)

隨著計(jì)算機(jī)測試技術(shù)的飛速發(fā)展，越來越多的外部設(shè)備通過串口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)信息共享以及設(shè)備的集中控制和管理。利用串口進(jìn)行通信具有結(jié)構(gòu)簡單、傳輸距離遠(yuǎn)、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域[1]。 同時(shí) ，PCI(Peripheral Component Interconnect)總線是一種高性能32/64位局部總線，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為132 Mb/s，可同時(shí)支持多組外設(shè)，數(shù)據(jù)吞吐量大，是目前應(yīng)用最廣泛、最流行的一種高速同步總線[2]。因此，利用PCI總線實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與外部設(shè)備的串口通信，可以提高通信能力。

由于大部分I/O設(shè)備沒有PCI總線功能，要實(shí)現(xiàn)設(shè)備與PCI總線的連接，需要PCI接口芯片、通用異步收發(fā)器UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter)等。而目前開發(fā)PCI總線與外部設(shè)備的串口通信大體上有兩種方式：(1)使用專用的芯片，如：PCI專用接口芯片S5920、S5933 等；UART 專用芯片 8250、8251、16450、16550等。使用廠家提供的專用接口芯片，用戶可能只使用到它的部分功能，會(huì)造成一定的資源浪費(fèi)，而且專用芯片價(jià)格高。(2)使用可編程器件FPGA。使用FPGA較使用專用芯片具有以下優(yōu)點(diǎn)：一方面用戶可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，不會(huì)浪費(fèi)資源；另一方面可以將PCI接口、UART都做在一片F(xiàn)PGA內(nèi)，這樣就不需要外接專門的芯片，簡化了電路、縮小了體積、提高了系統(tǒng)的可靠性。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中選用 Altera公司的 FPGA芯片EP1C6SQ240作為核心器件，完成PCI接口以及UART的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)PCI總線與串口的連接。選用美信公司的MAX490芯片作為電平轉(zhuǎn)換電路。系統(tǒng)的硬件連接框圖如圖1所示。

數(shù)據(jù)傳輸過程：上位機(jī)通過PCI總線發(fā)送并行數(shù)據(jù)到UART的數(shù)據(jù)緩存器中，然后數(shù)據(jù)經(jīng)UART的數(shù)據(jù)緩存器進(jìn)入U(xiǎn)ART的移位寄存器進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換后，通過串口傳到下位機(jī)。反之，下位機(jī)通過串口將數(shù)據(jù)傳送到UART的移位寄存器中，進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)入U(xiǎn)ART的數(shù)據(jù)緩存器中，最后傳到上位機(jī)。

設(shè)計(jì)中采用，傳輸距離長、抗干擾能力強(qiáng)的RS422串口。但是規(guī)定RS422:邏輯1的電平為-6 V～-2 V；邏輯 0的電平為+2 V～+6 V。而 FPGA的 I/O電平一般為 0～3.3 V，二者之間的電平不兼容。為了使二者之間的供電電壓保持一致，必須加入電平轉(zhuǎn)換電路。為此選用美信公司的MAX490芯片來實(shí)現(xiàn)二者之間的電平轉(zhuǎn)換，其電路原理圖如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)硬件連接框圖

圖2 RS422串口電路原理圖

1.1 PCI總線接口

PCI總線接口的功能是將一個(gè)不支持 PCI協(xié)議的后端設(shè)備接口到PCI總線上。為了實(shí)現(xiàn)PCI總線接口的基本功能，必須完成如下模塊的設(shè)計(jì)：PCI空間配置模塊、偶校驗(yàn)?zāi)K、地址譯碼和命令譯碼模塊、設(shè)備狀態(tài)機(jī)模塊等。PCI總線接口原理框圖如圖3所示。

圖3 PCI總線接口原理框圖

1.1.1 PCI空間配置模塊

PCI協(xié)議支持3種地址空間：I/O空間、內(nèi)存空間和配置空間。配置空間是PCI所特有的一種空間，其大小為 256 B，前 64 B是必需的，記錄了PCI串口設(shè)備的基本信息。PCI設(shè)備的一些主要的信息如下：

(1)VendorID、DeviceID:分別表示設(shè)備的生產(chǎn)廠商和設(shè)備編號。

(2)Command：命令寄存器，包含設(shè)備控制位，包括允許存儲(chǔ)器讀寫響應(yīng)等。

(3)Status：狀態(tài)寄存器，記錄PCI總線的相關(guān)事件信息。

(4)Base Adress Register： 基 地址寄存器，指示此PCI設(shè)備按I/O方式還是按內(nèi)存方式進(jìn)行讀寫以及需要的地址空間大小。

(5)Interrupt Line、Interrupt Pin：為設(shè)備使用的中斷號和中斷引腳。

1.1.2 偶校驗(yàn)?zāi)K

PCI總線的偶校驗(yàn)用于檢驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸是否正確。在PCI總線上，利用偶校驗(yàn)?zāi)K檢查每次傳輸中主設(shè)備是否正確地尋址到目標(biāo)設(shè)備，以及它們之間的數(shù)據(jù)是否正確地傳輸。

1.1.3 地址譯碼和命令譯碼模塊

地址譯碼模塊主要用于檢測地址與此PCI串口設(shè)備的基地址是否匹配，如果匹配，則PCI串口設(shè)備響應(yīng)當(dāng)前的總線操作。

命令譯碼模塊表示PCI串口設(shè)備響應(yīng)不同的總線命令，通過檢測 PCI-cbe[3：0]信號線上的值，完成命令譯碼。

1.1.4 設(shè)備狀態(tài)機(jī)模塊

PCI總線接口電路是時(shí)序復(fù)雜的接口電路,它的復(fù)雜性由PCI總線操作的多樣性決定。根據(jù)PCI的總線操作類型和總線操作時(shí)序關(guān)系，在這里抽象出一種簡潔明了，符合總線時(shí)序、更易于硬件描述語言實(shí)現(xiàn)的狀態(tài)機(jī)?？偩€接口狀態(tài)機(jī)示意圖如圖4所示。狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心部分,利用該狀態(tài)機(jī)可以完成配置寄存器、存儲(chǔ)器、I/O的讀寫操作。

狀態(tài)機(jī)包括 4個(gè)狀態(tài)：空閑(idle)狀態(tài)、配置讀寫（con）狀態(tài)、存儲(chǔ)器或I/O讀寫 (rw)狀態(tài)、傳輸中止（backoff）狀態(tài)。系統(tǒng)復(fù)位后，狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)入空閑狀態(tài)，在空閑狀態(tài)中采樣總線，并根據(jù)總線的變化來決定狀態(tài)機(jī)即將轉(zhuǎn)入的狀態(tài)。如果此時(shí)命令總線上是配置寄存器讀寫命令，判斷PCI-irdy信號是否有效來決定下一可能的狀態(tài)。如果信號無效，則狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)入傳輸中止?fàn)顟B(tài)，然后返回空閑狀態(tài)；如果信號有效，則狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)入配置讀寫狀態(tài)。如果此時(shí)命令總線上是存儲(chǔ)器或者I/O的讀寫命令，則判斷PCI-frame信號是否有效來決定下一可能的狀態(tài)。如果信號無效，狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)入傳輸中止?fàn)顟B(tài)，然后返回空閑狀態(tài)；如果信號有效，狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)入存儲(chǔ)器或I/O讀寫狀態(tài)。

圖4 總線接口狀態(tài)機(jī)示意圖

1.2 UART模塊

PCI總線傳輸?shù)氖遣⑿袛?shù)據(jù)，而串口傳輸?shù)氖谴袛?shù)據(jù)，要想實(shí)現(xiàn)PCI總線與串口的數(shù)據(jù)傳輸，必須通過UART完成數(shù)據(jù)的串并/并串轉(zhuǎn)換。本文設(shè)計(jì)的基于FPGA的UART由4個(gè)模塊組成：波特率發(fā)生器模塊、寄存器控制模塊、接收模塊以及發(fā)送模塊。UART的總體框圖如圖5所示。

圖5 UART的總體框圖

1.2.1 波特率發(fā)生器模塊

波特率發(fā)生器實(shí)際上就是一個(gè)分頻器，用來產(chǎn)生和串行通信所采用的波特率同步的時(shí)鐘，這樣才能按照串行通信的時(shí)序要求進(jìn)行數(shù)據(jù)接收或發(fā)送 。本設(shè)計(jì)中UART收發(fā)的每一個(gè)數(shù)據(jù)寬度都是波特率發(fā)生器輸出時(shí)鐘周期的16倍,即假定當(dāng)前按照9 600 b/s進(jìn)行收發(fā),那么波特率發(fā)生器輸出的時(shí)鐘頻率應(yīng)為9 600×16 Hz。

1.2.2 寄存器控制模塊

設(shè)計(jì)的UART包括：2個(gè)數(shù)據(jù)緩沖寄存器 (接收、發(fā)送緩沖寄存器)；2個(gè)狀態(tài)寄存器(中斷識(shí)別、線路狀態(tài)寄存器)；2個(gè)控制寄存器(中斷使能、線路控制寄存器)；2個(gè)移位寄存器(接收、發(fā)送移位寄存器)。寄存器控制模塊完成除了移位寄存器外的所有寄存器的讀寫控制。

1.2.3 接收模塊

接收模塊包括接收緩沖寄存器和接收移位寄存器。在接收數(shù)據(jù)開始時(shí)，為了能夠準(zhǔn)確地傳輸數(shù)據(jù)，先要清空接收緩沖寄存器和接收移位寄存器，然后接收移位寄存器等待檢測數(shù)據(jù)的起始位。檢測到有效的起始位后開始接收數(shù)據(jù)，同時(shí)啟動(dòng)接收數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器，統(tǒng)計(jì)接收數(shù)據(jù)的位數(shù)，直到接收到滿足需求的數(shù)據(jù)位。如果需要奇偶校驗(yàn)，則產(chǎn)生校驗(yàn)位。最后接收停止位，完成1幀數(shù)據(jù)（起始位+數(shù)據(jù)位+奇偶校驗(yàn)位+停止位）的接收，將數(shù)據(jù)存入接收緩沖寄存器，進(jìn)行下一幀數(shù)據(jù)的接收，并通知上位機(jī)讀取數(shù)據(jù)。

接收模塊通過狀態(tài)機(jī)來完成數(shù)據(jù)接收，其狀態(tài)機(jī)包含 4個(gè)狀態(tài)：空閑狀態(tài)(idle)、移位狀態(tài)(shift)、奇偶校驗(yàn)狀態(tài)(parity)和停止位狀態(tài)(stop),如圖6所示。其工作過程如下：當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位時(shí)，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入空閑狀態(tài)，等待接收開始位；當(dāng)開始位被確定有效后,狀態(tài)機(jī)進(jìn)入移位狀態(tài)。在移位狀態(tài)中，接收模塊為每個(gè)數(shù)據(jù)位的移入等待16個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘周期,接收完特定的數(shù)據(jù)位后，若奇偶校驗(yàn)使能有效，則跳轉(zhuǎn)到奇偶校驗(yàn)狀態(tài)；否則，進(jìn)入停止位狀態(tài)，而后進(jìn)入空閑狀態(tài)，重復(fù)上述過程。

1.2.4 發(fā)送模塊

發(fā)送模塊包括發(fā)送緩存寄存器和發(fā)送移位寄存器。在發(fā)送數(shù)據(jù)開始時(shí)，清空發(fā)送緩存寄存器和發(fā)送移位寄存器后，發(fā)送緩存寄存器接收發(fā)送來的數(shù)據(jù)，然后從發(fā)送緩存寄存器向發(fā)送移位寄存器發(fā)送數(shù)據(jù)。首先發(fā)送起始位到發(fā)送移位寄存器,同時(shí)啟動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器,記錄發(fā)送數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)，直到發(fā)送移位寄存器接收到滿足需求的數(shù)據(jù)。若奇偶校驗(yàn)使能有效,則跳轉(zhuǎn)到奇偶校驗(yàn)狀態(tài)；否則，進(jìn)入停止位狀態(tài)，完成1幀數(shù)據(jù)的發(fā)送。只要發(fā)送緩存寄存器不為空，則繼續(xù)傳輸下一幀數(shù)據(jù)。其狀態(tài)機(jī)的實(shí)現(xiàn)與接收模塊的類似。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 驅(qū)動(dòng)程序

WinDriver是一套PCI驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)包。它改變了傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)的方法與思路，極大地簡化了驅(qū)動(dòng)程序的編制。同時(shí)，WinDriver又沒有犧牲驅(qū)動(dòng)程序的性能，是一套高效、快捷的PCI驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)軟件包[4]。Win-Driver可在 VC／C++、Delphi、BC++、VB 等多種開發(fā)環(huán)境中使用,本設(shè)計(jì)選用VC++作為驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)環(huán)境，通過WinDriver生成VC++代碼，根據(jù)設(shè)計(jì)的需要修改生成的代碼以完成此PCI設(shè)備的驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)程序流程圖如圖7所示。

圖7 驅(qū)動(dòng)程序流程圖

2.2 應(yīng)用程序

應(yīng)用程序負(fù)責(zé)調(diào)用、連接驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)與驅(qū)動(dòng)程序的通信。連接到驅(qū)動(dòng)程序后，向驅(qū)動(dòng)程序注冊，同時(shí)啟動(dòng)串口監(jiān)測工作線程，等待事件發(fā)生。當(dāng)驅(qū)動(dòng)程序接收到中斷后，通過發(fā)送消息通知應(yīng)用程序，處理發(fā)生的事件。處理后退出應(yīng)用程序，結(jié)束等待事件線程。應(yīng)用程序流程圖如圖8所示。

圖8 應(yīng)用程序流程圖

本文介紹了一種基于FPGA的PCI總線串口卡設(shè)計(jì)方法，簡單說明了其硬件的設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用程序的編寫方法。該設(shè)計(jì)符合通用的PCI規(guī)范，支持即插即用功能，傳輸速率高，抗干擾能力強(qiáng)?？梢詮V泛應(yīng)用于各類測試設(shè)備、工廠自動(dòng)化等，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

[1]徐志春.基于PCI總線的多串口通信適配卡設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2007,23:294-296.

[2]王友波,劉明業(yè).PCI總線接口控制器的FPGA設(shè)計(jì)[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2004,24(5):423-426.

[3]楊大柱.基于FPGA的UART電路設(shè)計(jì)與仿真[J].微計(jì)算機(jī)信息,2007,23(5-2):212-213.

[4]劉映杰,張?jiān)诜?劉瑋,等.用 WinDriver開發(fā) PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序[J].信息技術(shù),2004,28(2):78-80.