基于FPGA與PCI總線的實(shí)時(shí)控制計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張磊

（中國(guó)兵器工業(yè)二〇六研究所 陜西 西安 710100）

外部器件互聯(lián)總線即PCI總線，是Intel公司提出的將高速高帶寬的外圍功能移到靠近CPU的地方，并通過(guò)一個(gè)系統(tǒng)接口（主橋路）與處理器/存儲(chǔ)器連接的“局部總線”解決方案[1]。隨著集成技術(shù)突飛猛進(jìn)地發(fā)展，如今工業(yè)、軍事領(lǐng)域中使用的計(jì)算機(jī)正逐步向著微型化、超低功耗、超大規(guī)模集成的片上系統(tǒng)發(fā)展，越來(lái)越多的功能被集成到一個(gè)或數(shù)個(gè)芯片上，并能可靠地工作。新技術(shù)不僅使計(jì)算機(jī)的功能越發(fā)強(qiáng)大，同時(shí)功耗降低，體積縮小、在開(kāi)發(fā)和調(diào)試中令開(kāi)發(fā)者擺脫了底層繁冗的重復(fù)開(kāi)發(fā)，縮短了開(kāi)發(fā)周期，降低了開(kāi)發(fā)成本。

文中在考慮到硬件產(chǎn)品的通用性，保證其功能和速度的前提下，兼顧體積、功耗、易用性，我們選用定制方式將計(jì)算機(jī)模塊和大規(guī)?？删幊唐骷﨔PGA作在一塊印制板上。省去了大量的分立電路，降低了故障率，也使實(shí)控機(jī)的功能擴(kuò)充更加容易。

1 系統(tǒng)總體介紹

實(shí)控機(jī)系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、FPGA及接口電路組成，只作為一塊6U標(biāo)準(zhǔn)電路板。計(jì)算機(jī)模塊本身?yè)碛?個(gè)網(wǎng)口，2個(gè)USB2.0接口，8 個(gè) RS422 串口（COM1～COM8），波特率可達(dá) 921.6 kbps，因此，我們可以分別使用COM3～COM8分別和各不需要高速通信的分系統(tǒng)模塊進(jìn)行通訊。本實(shí)控機(jī)的操作系統(tǒng)使用VxWorks操作系統(tǒng)，網(wǎng)口和主機(jī)連接用于調(diào)試和加載程序，板上使用2 G的電子盤作為操作系統(tǒng)及應(yīng)用軟件的存儲(chǔ)設(shè)備。

通過(guò)計(jì)算機(jī)PCI總線擴(kuò)充了一片大容量的FPGA，引到連接器的I/O線多達(dá)160根。在這片F(xiàn)PGA里，實(shí)現(xiàn)的主要功能模塊有：I/O系統(tǒng)、定時(shí)系統(tǒng)、4個(gè)高速串口以及對(duì)自制定時(shí)信號(hào)的處理，其中I/O系統(tǒng)用于輸出控制和狀態(tài)輸入，定時(shí)系統(tǒng)用于系統(tǒng)定時(shí)，4個(gè)8 Mbit/s同步串口分別于其他各分系統(tǒng)進(jìn)行通訊。由于使用大容量FPGA，可完全滿足一般系統(tǒng)對(duì)實(shí)控機(jī)的功能要求以及后續(xù)的功能擴(kuò)充。

實(shí)控機(jī)板上有IDE接口用于連接外擴(kuò)硬盤和光驅(qū)，PS/2接口用于連接鍵盤和鼠標(biāo)，DB－15接口用于連接顯示器，兩個(gè)USB接口用于連接USB設(shè)備，一個(gè)備用的網(wǎng)口，以及復(fù)位鍵、電池等都放到面板上方便使用。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 實(shí)控機(jī)系統(tǒng)原理圖Fig.1 Principle scheme of RTC

2 實(shí)控機(jī)接口模塊設(shè)計(jì)

目前開(kāi)發(fā)PCI接口大體有兩種方式，一是使用專用的PCI接口芯片，可以實(shí)現(xiàn)完整的PCI主控模塊和目標(biāo)模塊接口功能，將復(fù)雜的PCI總線接口轉(zhuǎn)換為相對(duì)簡(jiǎn)單的用戶接口。用戶只要設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換后的總線接口即可，縮短了開(kāi)發(fā)周期，缺點(diǎn)是用戶可能只用到部分PCI接口功能，這樣造成了一定的邏輯資源浪費(fèi)，也缺乏靈活性，很可能增加板上的組件，導(dǎo)致產(chǎn)品成本的增加和可靠性的降低。二是使用可編程器件，采用FPGA的優(yōu)點(diǎn)在于其靈活的可編程性，首先PCI接口可以依據(jù)插卡功能進(jìn)行最優(yōu)化，而不必實(shí)現(xiàn)所有的PCI功能，這樣可以節(jié)約系統(tǒng)的邏輯資源[2]。而且，用戶可以將PCI插卡上的其他用戶邏輯與PCI接口邏輯集成在一個(gè)芯片上，實(shí)現(xiàn)緊湊的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。當(dāng)系統(tǒng)升級(jí)時(shí)，只需對(duì)可編程器件重新進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)，而無(wú)需更新PCB版圖[3]。

文中采用FPGA進(jìn)行實(shí)控機(jī)接口模塊的開(kāi)發(fā)，實(shí)控機(jī)接口控制模塊作為一個(gè)轉(zhuǎn)換接口，工作于PCI總線與目標(biāo)設(shè)備串口之間，完成兩者間的數(shù)據(jù)傳送。文中所選用的芯片是Xilinx公司的Virtex-5系列的5vlx30tff665，編寫(xiě)、仿真軟件采用的Active-HDL，編譯軟件采用的是ISE 10.1 Service Pack 3，語(yǔ)言采用混合語(yǔ)言編程。

圖2為實(shí)控機(jī)接口模塊總體框圖，分為用戶應(yīng)用模塊（USER APP），多路選擇器（MUX），串口模塊（RS），控制寄存器（CTL_REG），中斷共享（Int share）和定時(shí)器（TIMER）。 在USER APP中控制對(duì)PCI IP Core的調(diào)用，多路選擇器用于選擇讀取哪一路串口的數(shù)據(jù)，控制寄存器用于控制各串口是否允許發(fā)送以及各定時(shí)器是否允許定時(shí)。文中將對(duì)PCI模塊和串口模塊的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)敘述。

圖2 接口模塊框圖Fig.2 Interface module

2.1 PCI端的設(shè)計(jì)

2.1.1 IP Core的調(diào)用與配置

3.1 本次試驗(yàn)顯示每隔6天輸精一次受精率最高，間隔8天輸精一次受精率最低。分析原因認(rèn)為精子在母雞體內(nèi)一般存活6～7天，因此6天輸精一次受精率較高。

Xilinx提供了大量的IP core供用戶使用[4]，例如pci32_V4.8就是32位的PCI Initiator/Target接口的LogiCORE IP product，共有3個(gè)基地址寄存器。文中調(diào)用的IP Core采用的是PCI Target模式，只調(diào)用第一個(gè)基地址寄存器：BAR_0。

PCI總線定義了3種物理地址空間，分別是存儲(chǔ)地址空間，I/0地址空間和配置地址空間。配置空間是PCI所特有的一種空間，其目的在于提供一套適當(dāng)?shù)呐渲么胧?，使之滿足現(xiàn)行的和可預(yù)見(jiàn)的系統(tǒng)配置機(jī)構(gòu)。配置空間是一長(zhǎng)度為256字節(jié)并且有特定記錄結(jié)構(gòu)的地址空間，可以在系統(tǒng)自舉時(shí)訪問(wèn)，也可在其他時(shí)間訪問(wèn)。通過(guò)配置寄存器，配置軟件可了解目標(biāo)設(shè)備的存在、功能及配置要求：

1）廠商ID：此16位的只讀寄存器定義了設(shè)備的生產(chǎn)廠商，文中使用Xilinx的默認(rèn)ID值10EE；

2）設(shè)備ID：該值由生產(chǎn)廠商分配以識(shí)別其產(chǎn)品，文中設(shè)置為0050；

3）命令寄存器，此寄存器控制了設(shè)備響應(yīng)PCI訪問(wèn)的能力，位0為I/O空間控制，位1為存儲(chǔ)空間控制。文中采用I/O空間訪問(wèn)，因此我們?cè)谂渲妹罴拇嫫鞯臅r(shí)候需要在配置空間頭標(biāo)區(qū)04H處寫(xiě)入000 000 01，來(lái)實(shí)現(xiàn)I/O空間操作。

4）狀態(tài)寄存器。狀態(tài)寄存器用于記錄 PCI總線有關(guān)事件的狀態(tài)信息。該設(shè)備可以根據(jù)自己的功能來(lái)決定實(shí)現(xiàn)狀態(tài)寄存器的那些位，不一定要實(shí)現(xiàn)所有的位。

圖3 命令寄存器格式Fig.3 Command register state bits format

圖4 狀態(tài)寄存器格式Fig.4 Status register state bits format

5）基地址寄存器：加電軟件在引導(dǎo)操作系統(tǒng)之前，必須要建立一個(gè)統(tǒng)一的地址映射，也就是說(shuō)必須確定在系統(tǒng)中有多少存儲(chǔ)器以及系統(tǒng)中的I/O控制器要求多少地址空間。當(dāng)這些信息確定后，加電軟件便把存儲(chǔ)器和 I/O地址請(qǐng)求映射到合理的地址空間并引導(dǎo)系統(tǒng)。為了使這種映射能夠作到與相應(yīng)的設(shè)備無(wú)關(guān)，從而在配置空間的頭標(biāo)區(qū)中安排了一個(gè)供映射時(shí)使用的基址寄存器。基地址寄存器主要有兩種作用：一個(gè)作用是存放存儲(chǔ)器空間或 I/O空間基地址；另一個(gè)作用確定I/O或者存儲(chǔ)器空間的長(zhǎng)度?；刂芳拇嫫鞲鶕?jù)存放于其中的數(shù)據(jù)來(lái)判斷數(shù)據(jù)類型，位0為只讀位，用來(lái)決定是存儲(chǔ)器空間還是I/O空間，如果該位為0，則是映射到存儲(chǔ)器空間；否則若為1，表示映射到 I/O空間，本文設(shè)置為1。

圖5 配置訪問(wèn)Fig.5 Configuration accessing

文中利用I/O地址空間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此需要在命令寄存器內(nèi)寫(xiě)入01，圖6為配置寫(xiě)操作，在地址04H寫(xiě)入000 000 01，之后，讀出04H地址的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，讀出數(shù)值為?20?00 01，最低位為1，符合I/O地址空間傳輸要求。

圖6 配置命令寄存器Fig.6 Config command register state bits

2.1.2 I/O傳輸控制

調(diào)用IP Core的文件完后，需要編寫(xiě)USER APP對(duì)IP Core進(jìn)行控制。在文中將采用I/O地址空間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此文中首先要對(duì)I/O地址空間數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行譯碼操作，下列程序即是判斷所使用的基地址寄存器和對(duì)BAR_0讀寫(xiě)狀態(tài)的譯碼：

在調(diào)用IP Core的時(shí)候只選擇了BAR_0，所以BASE_HIT（0）=1；S_WRDN是IP核內(nèi)部的一個(gè)輸入信號(hào)，高電平代表寫(xiě)入，低電平代表讀出；S_DATA是數(shù)據(jù)是否在傳輸?shù)臓顟B(tài)信號(hào)。

因?yàn)槲闹幸B接4個(gè)串行接口，因此需要在USERAPP中加入一個(gè)多路選擇器，對(duì)串口輸入至PCI總線的數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇，根據(jù)PCI總線上的地址判斷與哪一個(gè)串口進(jìn)行通信，讀操作時(shí)，選擇信號(hào)與PCI總線上的地址ADDR、基地址寄存器的讀狀態(tài)PCI_BAR0_RD以及數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)S_DATA有關(guān)；寫(xiě)操作時(shí)，寫(xiě)使能信號(hào)必須在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成，因此它與PCI總線上的地址ADDR、基地址寄存器的寫(xiě)狀態(tài)PCI_BAR0_WR以及數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)有效位S_DATA_VLD有關(guān)。

在圖7中，CBE為2時(shí)，執(zhí)行I/O讀操作，此時(shí)PCI總線地址為4，生成串口三的片選rs3_cs信號(hào)，PCI總線上輸出輸入信號(hào)PCI_DATA_IN為452 247 72；CBE為3時(shí)，執(zhí)行I/O寫(xiě)操作，此時(shí)PCI總線地址為1，生成串口一的寫(xiě)使能rs1_wr_en信號(hào)，PCI發(fā)送到串口一的數(shù)據(jù)PCI_DATA_OUT1為000 402 34。

2.2 串口模塊的設(shè)計(jì)

圖7 I/O讀寫(xiě)操作Fig.7 I/O write and read operation

PCI數(shù)據(jù)是并行數(shù)據(jù)，通過(guò)FPGA發(fā)送到串口必須要轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)，因此我們需要在FPGA內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)移位寄存器和FIFO，實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)同并行數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)化。FIFO仍然使用Xilinx公司ISE中所提供的IP Core—fifo generator v4.4[5]。

首先調(diào)用FIFO IP Core并對(duì)其進(jìn)行設(shè)置，文中對(duì)FIFO的讀寫(xiě)時(shí)鐘不同，因此時(shí)鐘采用獨(dú)立時(shí)鐘模式，存儲(chǔ)方式采用Block Ram模式；讀方式采用First-Word Fall-Through；讀寫(xiě)時(shí)的FIFO寬度均為32，深度1 025；不選擇Almost Full和Almost Empty標(biāo)志接口，不選擇Prog_full和Prog_empty標(biāo)志接口；不添加計(jì)數(shù)器接口；不選擇握手。

根據(jù)串口數(shù)據(jù)規(guī)范，串口在無(wú)數(shù)據(jù)時(shí)始終保持高電平，數(shù)據(jù)的開(kāi)始是以一個(gè)時(shí)鐘的低電平開(kāi)始，數(shù)據(jù)結(jié)束時(shí)至少為一個(gè)時(shí)鐘的高電平，因此在設(shè)計(jì)移位寄存器時(shí)要注意這一點(diǎn)。由于收發(fā)數(shù)據(jù)的邏輯是不同的，因此串口模塊根據(jù)數(shù)據(jù)的流向不同分為發(fā)送至串口模塊和接收串口數(shù)據(jù)模塊兩部分。

接收串口模塊是為實(shí)現(xiàn)接收串行輸入數(shù)據(jù)并發(fā)送到PCI總線的功能，因此接收模塊的移位寄存器是將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)，在此模塊中可以通過(guò)一些參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度和寬度，接收移位寄存器狀態(tài)機(jī)圖如圖8所示。數(shù)據(jù)首先由串口寫(xiě)入，在移位寄存器中進(jìn)行串—并轉(zhuǎn)換，在接收完符合規(guī)定長(zhǎng)度的串行信號(hào)后，移位寄存器發(fā)送一個(gè)時(shí)鐘周期的寫(xiě)使能信號(hào)給FIFO，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)寫(xiě)入FIFO，當(dāng)FIFO接收到PCI總線發(fā)送的讀使能信號(hào)后，由PCI總線讀走FIFO內(nèi)的數(shù)據(jù)。

圖8 接收移位寄存器Fig.8 Receive shift register

發(fā)送串口模塊是為實(shí)現(xiàn)將PCI總線輸入的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)后輸出的功能，同樣可以在此模塊上通過(guò)參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度和寬度，發(fā)送移位寄存器狀態(tài)機(jī)圖如圖9所示。PCI總線將數(shù)據(jù)寫(xiě)入FIFO，在發(fā)送允許信號(hào)有效的情況下，移位寄存器發(fā)送一個(gè)時(shí)鐘周期的讀使能信號(hào)將FIFO中的數(shù)據(jù)讀出，進(jìn)行并—串轉(zhuǎn)換后輸出數(shù)據(jù)。

在完成這部份工作的時(shí)候，需要注意幾個(gè)問(wèn)題，首先是時(shí)鐘的問(wèn)題，PCI總線傳輸?shù)臅r(shí)鐘是33 MHz，而串口的時(shí)鐘是8 MHz。對(duì)于FIFO來(lái)說(shuō)，當(dāng)信號(hào)由總線流向串口時(shí)，F(xiàn)IFO以PCI總線時(shí)鐘寫(xiě)入，串口時(shí)鐘讀出；反之則是以串口時(shí)鐘寫(xiě)入，PCI總線時(shí)鐘讀出。其次是讀、寫(xiě)使能信號(hào)的問(wèn)題，對(duì)于FIFO來(lái)說(shuō)，信號(hào)不同方向的傳輸造成讀、寫(xiě)使能管腳的連接正好相反。當(dāng)信號(hào)由PCI總線流向串口時(shí)，F(xiàn)IFO的寫(xiě)使能由PCI總線提供，即上文所說(shuō)的rs_wr_en信號(hào)，寬度為一個(gè)PCI時(shí)鐘周期，讀使能信號(hào)由發(fā)送移位寄存器產(chǎn)生；反之，F(xiàn)IFO的寫(xiě)使能由串口提供，寬度為一個(gè)串口時(shí)鐘，讀使能信號(hào)由PCI總線提供。另外，發(fā)送移位寄存器上的發(fā)送使能接口send_n，作用是將移位操作完成后的串行信號(hào)發(fā)送到串口，send_n由終端的軟件控制產(chǎn)生，通過(guò)PCI總線傳至寄存器；接收移位寄存器上會(huì)輸出一個(gè)中斷信號(hào)，用于在長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有輸入串口信號(hào)時(shí)產(chǎn)生中斷，為了避免中斷信號(hào)丟失，文中通過(guò)一個(gè)D觸發(fā)器發(fā)出中斷信號(hào)。

圖9 發(fā)送移位寄存器Fig.9 Send shift register

2.3 綜合設(shè)計(jì)

在分別完成PCI部分和串口部分的設(shè)計(jì)后，我們將兩個(gè)部分合二為一。串口信號(hào)的PCI時(shí)鐘和重置信號(hào)由PCI端提供，其中重置信號(hào)需要進(jìn)行反轉(zhuǎn)；讀、寫(xiě)使能信號(hào)根據(jù)PCI端的解碼后，發(fā)送給串口；發(fā)送信號(hào)Send的低4位分別連接到4個(gè)串口，用于驅(qū)動(dòng)將FIFO里的信號(hào)發(fā)送至串口，高4位保留，用于擴(kuò)展到其他需要控制的信號(hào)。綜合設(shè)計(jì)仿真時(shí)序圖如圖10所示。

圖10 綜合設(shè)計(jì)時(shí)序圖Fig.10 Sequential relationship diagram of integrative design

3 結(jié) 論

采用FPGA處理實(shí)時(shí)控制計(jì)算機(jī)PCI總線端口與各分系統(tǒng)的高速串口之間的通信，節(jié)約了元器件、以及電路布線，使電路更加緊湊、高效。在PCI總線接口的設(shè)計(jì)中，PCI總線接口的性能將會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)性能[6]，本文運(yùn)用Xilinx的IP Core技術(shù)，混合語(yǔ)言進(jìn)行其它功能描述，采用 FPGA實(shí)現(xiàn)PCI總線接口不但性能可靠、穩(wěn)定，而且提高了系統(tǒng)集成度。論文給出了系統(tǒng)的整體模塊設(shè)計(jì)和各個(gè)子模塊的設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)各個(gè)模塊的功能進(jìn)行了嚴(yán)格仿真。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以應(yīng)用于實(shí)際當(dāng)中。

[1]李貴山，陳金鵬.PCI局部總線及其應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2003.

[2]Brueggen C，Pottinger H J.A novel FPGA-based master/slave PCI interface core，Circuits and Systems[C]//2000 Proceedings of the 43rd IEEE Midwest Symposium America:IEEE，2000.

[3]WANG Zhong-hai，YE Yi-zheng.Designing AHB/PCI Bridge[C]//ASIC 2001 Proceedings 4th International Conference.Beijing:IEEE Press:People’s Posts&Telecommunications Pub，2001.

[4]Xilinx.LogiCORETMIP Initiator/Target v4.8 for PCITMUser Guide[EB/OL].[2008-09-19].http://ching.xilinx.com/support/documentation/ip_documentation/pci_64_ug159.pdf，2008.

[5]Xilinx.LogiCORETMIP FIFO Generator v4.4 User Guide[EB/OL].[2008-09-19].http://www.digchip.com/application-notes/36143571.php，2008.

[6]William S.Operating systems-internals and design principles[M].Beijing:IEEE Press:People’s Posts&Telecommunications Pub，2011.