基于FPGA+SCV64架構(gòu)的VME總線從模塊開發(fā)

白 煊1， 羅運(yùn)虎1， 鄭永龍， 周勇軍

(1.南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210016；2.中國人民解放軍第5720工廠 安徽省航空設(shè)備測控與逆向工程實(shí)驗(yàn)室，安徽 蕪湖 241007)

VME總線概念最早源自于VERSA總線，被命名為VERSAbus-E，之后改名為VME總線。VME總線作為一種歐洲通用模塊背板總線，具有高性能、支持多處理器計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，堅(jiān)固耐用的VME總線已擁有一大批成品制造商，被廣泛應(yīng)用于軍事、醫(yī)療、交通運(yùn)輸以及工業(yè)控制系統(tǒng)中。

由于VME總線已被應(yīng)用在新型飛機(jī)上，故它將會(huì)被越來越多的人關(guān)注。許多學(xué)者都對(duì)其展開了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]基于ARM或PowerPC等處理器，實(shí)現(xiàn)VME總線控制器功能；文獻(xiàn)[3]闡述了VME接口協(xié)議芯片SCV64的應(yīng)用概況。文獻(xiàn)[4]采用FPGA設(shè)計(jì)了DFT1總線數(shù)據(jù)采集方案。文獻(xiàn)[5]則利用FPGA實(shí)現(xiàn)VME總線控制器功能。文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]通過FPGA解析了VME總線信號(hào)數(shù)據(jù)。

目前飛機(jī)檢修過程中，分解的VME模塊無法完成單個(gè)數(shù)據(jù)通信檢測，因此本文在對(duì)VME總線通信規(guī)范深入了解的基礎(chǔ)上，基于“SCV64+FPGA”架構(gòu)，開發(fā)了VME總線從模塊，可與待檢測VME模塊構(gòu)成數(shù)據(jù)通路，從而為航電部件檢修奠定基礎(chǔ)。

1 模塊硬件設(shè)計(jì)

所研制的VME總線通信模塊可以在VME主控板發(fā)起傳輸后，接收VME主控板發(fā)出的數(shù)據(jù)，并通過LED指示燈顯示當(dāng)前操作讀寫的數(shù)據(jù)內(nèi)容，其架構(gòu)如圖1所示。

圖1 模塊硬件結(jié)構(gòu)框圖

1.1 FPGA最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

① 供電電壓電路設(shè)計(jì)。所選FPGA為EP3C16Q240C8，其供電電壓主要包括VCCINT、VCCIO和VCCA。其中VCCINT為內(nèi)核電壓1.2 V；VCCIO為I/O電壓3.3 V；VCCA為PLL的模擬供電電壓2.5 V。

② 復(fù)位電路設(shè)計(jì)。復(fù)位電路由MAX706SESA芯片構(gòu)成。MAX706SESA是一款微處理器監(jiān)控芯片，可監(jiān)控3～5 V電平。比起早期的多個(gè)元件電路，其可靠性和精度都大大提高，常常作為上電、下電時(shí)復(fù)位電平輸出。

③ 配置電路設(shè)計(jì)。由于Cyclone系列FPGA是SRAM結(jié)構(gòu)，斷電后FPGA的配置信息就會(huì)丟失，需要重新使用JTAG接口下載配置信息，或者使用配置器件在重新上電時(shí)對(duì)FPGA進(jìn)行自動(dòng)配置。所采用的FPGA配置芯片為EPCS16。

1.2 SCV64外圍電路設(shè)計(jì)

早期VME總線橋接控制器多采用VIC068A或VIC64。VIC系列的接口器件兼容性差，且只提供8位地址和數(shù)據(jù)通道，使用很不方便。SCV64是Tundra公司生產(chǎn)的VME總線接口。其功能靈活，可以為各種VME數(shù)據(jù)環(huán)境制定接口。

SCV64利用VME接口在總線間實(shí)現(xiàn)解耦傳輸和耦合傳輸。解耦傳輸：VME主模塊向SCV64數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后即釋放VME總線，之后由SCV64完成數(shù)據(jù)向本地總線傳輸；耦合傳輸：VME主模塊向SCV64數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后不釋放VME總線，在SCV64完成數(shù)據(jù)向本地總線傳輸后VME總線才被釋放。

SCV64的VME總線接口需要通過8位轉(zhuǎn)換器對(duì)VME總線的地址、數(shù)據(jù)、地址修正信號(hào)以及數(shù)據(jù)選通信號(hào)進(jìn)行緩沖。8位轉(zhuǎn)換器的方向由SCV64的VADDROUT、VDATAOUT、VSTRBOUT信號(hào)控制。VADDROUT控制地址線A31～A00、LWORD；VDATAOUT控制數(shù)據(jù)線VDATA31～VDATA0；VSTRBOUT控制VAS、VDS1、VDS0、VER、VAM5～VAM0。本設(shè)計(jì)采用SN74LVC4245ADBR作為信號(hào)緩沖。

SCV64本地接口提供了總線請(qǐng)求仲裁，若不需要此仲裁過程可以繞過本地總線仲裁。在PWRRST信號(hào)的上升沿期間保持KBGACK為低，可以繞過SCV64本地總線仲裁。

可以通過上電時(shí)序使SCV64本地接口僅為從器件使用，該選項(xiàng)使SCV64能夠自動(dòng)初始化所有需要訪問VME總線的內(nèi)部寄存器。

上電復(fù)位信號(hào)PWRRST上升沿時(shí)，需要保持KDS為高電平，SCV64采樣KFC0和KFC2信號(hào)，若KFC0為低電平、KFC2為高電平，則SCV64進(jìn)入從器件模式。此時(shí)SCV64會(huì)讀取本地總線數(shù)據(jù)端口的輸入值，利用此值配置VMEBAR寄存器。

VMEBAR寄存器中存儲(chǔ)了SCV64作為VME從模塊的基地址與從窗口的范圍大小。VME從窗口映射可通過24位(A24)或32位(A32)地址線訪問，不能通過16位地址訪問。A32窗口基地址可以被設(shè)置為128 MB(地址線0～26位)內(nèi)的任意值，窗口范圍在4～128 KB之，A24窗口可以被設(shè)置為小于16 MB的512 KB倍數(shù)大小。在本地總線上SCV64驅(qū)動(dòng)低位地址線匹配VME從地址空間。而高于可配置從空間大小的地址線KADDR31～KADDR27將不被驅(qū)動(dòng)，其余未使用的地址線被驅(qū)動(dòng)為低電平。當(dāng)VME主設(shè)備發(fā)起的傳輸?shù)刂穼儆谠搹拇翱诜秶鷷r(shí)，則判定對(duì)該從模塊進(jìn)行傳輸。SCV64將VME從窗口地址映射至本地總線，本地總線起始地址0x0對(duì)應(yīng)VME從模塊基地址，本地總線終止地址為從窗口的范圍大小。

為配置SCV64為從模式并繞開本地仲裁，本設(shè)計(jì)通過4.7 kΩ電阻上拉信號(hào)KFC1、KFC2、KDS、KAS、KBERR至5 V；通過4.7 kΩ電阻下拉KFC0、KBGACK至地；短接本地總線申請(qǐng)信號(hào)KBRQ與授權(quán)KBGR；通過10 kΩ電阻上拉BG3IN*信號(hào)至5 V。

通過NLSX4373DR2G與SN74LVC4245ADBR將SCV64的5 V電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為3.3 V與FPGA連接。

2 模塊軟件設(shè)計(jì)

圖2為軟件整體工作狀態(tài)機(jī)。S0為上電初始化狀態(tài)，S1為MODE寄存器配置狀態(tài)，S2為等待數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)，S3為從模塊數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)。

圖2 從板程序狀態(tài)機(jī)

2.1 上電初始化、寄存器配置(S0、S1)

VME系統(tǒng)主器件通過基地址以及以基地址起始的從空間范圍來區(qū)別操作各個(gè)系統(tǒng)中的模塊，圖2中S0狀態(tài)為上電初始化狀態(tài)，在此狀態(tài)上電復(fù)位信號(hào)PWRRST由有效變?yōu)闊o效出現(xiàn)上升沿，此刻FPGA將在SCV64的本地端口數(shù)據(jù)信號(hào)線(KDATA)上輸出寄存器VMEBAR值，并自動(dòng)配置MODE寄存器中的從窗口使能位。本設(shè)計(jì)中配置VME從空間地址寬度為32位，大小為1 MB，基地址為0x08000000。將VME空間全部映射至從模塊32位LED數(shù)據(jù)，對(duì)該VME地址空間讀寫全部反映至32位LED數(shù)據(jù)。

VME讀取從設(shè)備SCV64中數(shù)據(jù)必須為耦合傳輸；VME向從設(shè)備SCV64寫數(shù)據(jù)可以為耦合傳輸也可為解耦傳輸。SCV64的MODE寄存器中的RXATOM位和TXATOM位默認(rèn)讀寫FIFO的模式皆為解耦傳輸，需要通過圖2中S1狀態(tài)利用本地接口訪問SCV64的MODE寄存器進(jìn)行修改。MODE寄存器地址為：32′h0000003C。這里不改變?cè)摷拇嫫髌渌荒J(rèn)值，所以寫入寄存器值為：32′h00001C01。

圖3為MODE寄存器配置流程，首先FPGA驅(qū)動(dòng)KWR信號(hào)為低電平表示寫入數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)KADDR、KDATA為地址和數(shù)據(jù)；其次SCV64SEL片選信號(hào)輸出低電平，表示訪問SCV64內(nèi)部寄存器；之后KAS地址有效信號(hào)輸出低電平，KDS數(shù)據(jù)有效信號(hào)輸出低電平；最后等待KDSACK信號(hào)低電平有效，表示寄存器寫入成功。圖4為MODE寄存器配置仿真。

2.2 從模塊數(shù)據(jù)讀寫(S3)

修改完成后若SCV64讀取VME總線傳輸?shù)刂吩谧约旱膹拇翱诜秶鷥?nèi)，則從模塊開啟傳輸過程。存儲(chǔ)片選信號(hào)RAMSEL低電平有效，F(xiàn)PGA程序進(jìn)入圖2中S3狀態(tài)。圖5為從模塊傳輸邏輯流程。通過SCV64本地接口信號(hào)KSIZE讀取數(shù)據(jù)寬度、KWR信號(hào)讀取數(shù)據(jù)傳輸方向。當(dāng)KAS信號(hào)低電平有效時(shí)，可讀取KADDR信號(hào)在VME總線映射至本地總線的地址。當(dāng)KDS*低電平有效時(shí)，若為寫入數(shù)據(jù)可通過KDATA讀取數(shù)據(jù)，若為讀取數(shù)據(jù)可通過KDATA發(fā)送數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)傳輸完成后，本地總線通過低電平有效KDSACK信號(hào)終止傳輸。圖6、圖7分別為從模塊讀、寫傳輸仿真，讀傳輸中，KDATAr默認(rèn)值為32位高電平(仿真顯示256進(jìn)制數(shù)：255 255 255 255)，讀出數(shù)據(jù)位32位低電平；寫傳輸中，KDATAw默認(rèn)值為32位低電平(仿真顯示256進(jìn)制數(shù)：0 0 0 0)，讀出數(shù)據(jù)位32位高電平。

圖4 MODE寄存器配置仿真

3 模塊測試驗(yàn)證

運(yùn)用MVME3100作為VME總線主控模塊，運(yùn)行VxWorks操作系統(tǒng)，通過開發(fā)主機(jī)對(duì)MVME3100進(jìn)行控制?？赏ㄟ^主機(jī)利用VxWorks開發(fā)工具Tornado的shell控制MVME3100發(fā)起傳輸。在39E系列VME測試開發(fā)平臺(tái)機(jī)箱內(nèi)進(jìn)行測試。圖8為VME總線從模塊正面，圖9為VME總線從模塊背面。圖10為模塊測試框架。

3.1 測試條件

① MVME3100單板計(jì)算機(jī)。本實(shí)驗(yàn)運(yùn)用MVME3100作為VME總線主控模塊，發(fā)起針對(duì)VME總線從模塊的數(shù)據(jù)傳輸。MVME3100單板計(jì)算機(jī)采用了MCP8540處理器，不僅僅提供了更快的VME總線傳輸速率，內(nèi)存子系統(tǒng)、本地總線和I/O子系統(tǒng)的平衡性也更好。

圖5 從模塊傳輸邏輯流程

圖6 從模塊讀傳輸仿真

圖7 從模塊寫傳輸仿真

② 軟件條件。本實(shí)驗(yàn)利用Tornado開發(fā)環(huán)境中的shell工具對(duì)MVME3100進(jìn)行命令操作。Tornado是WRS公司推出的一套實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境，界面風(fēng)格類似Microsoft Visual C，但是較之后者提供了更豐富的調(diào)試、仿真環(huán)境和工具。其中的shell工具允許下載應(yīng)用程序模塊，調(diào)用VxWorks及應(yīng)用程序模塊的子程序。shell雖然運(yùn)行在開發(fā)主機(jī)上，但它允許對(duì)目標(biāo)機(jī)發(fā)起任務(wù)，讀出或?qū)懭肽繕?biāo)設(shè)備。

圖8 VME從模塊正面

圖10 模塊測試框架

3.2 測試步驟

① 通過網(wǎng)口與串口連接開發(fā)主機(jī)與MVME3100。在開發(fā)主機(jī)中運(yùn)行FPT通信協(xié)議，啟動(dòng)MVME3100。

② 在開發(fā)主機(jī)中打開Tornado啟動(dòng)目標(biāo)機(jī)MVME3100，即可通過shell對(duì)MVME3100進(jìn)行操作。

③ 調(diào)用函數(shù)“sysTempeWinShow”得到MVME3100中PCI地址窗口與VME地址窗口間的映射關(guān)系。

地址空間Outbound window0為系統(tǒng)為操作mailbox寄存器預(yù)留的空間，不可通過其訪問VME地址空間。所以通過地址空間Outbound window1讀寫VME地址空間數(shù)據(jù)。

空間Outbound window1：

PCI起始地址：00000000_80000000；PCI終止地址：00000000_800fffff

VME起始地址：00000000_08000000；VME終止地址：00000000_080fffff

④ 輸入命令“d+PCI地址”(d 0x80040000)讀取棧地址空間Outbound window1中數(shù)據(jù)。

⑤ 輸入命令“m+PCI地址”(m 0x80040000)改寫Outbound window1中數(shù)據(jù)，即向?qū)?yīng)VME空間地址發(fā)送數(shù)據(jù)。

3.3 測試結(jié)果

通過MVME3100向從模塊LED發(fā)送數(shù)據(jù)0xffff0000。圖11為Tornado下shell命令讀取并寫入內(nèi)存空間地址0x80040000，原數(shù)據(jù)為0xffffffff。再通過讀取內(nèi)存空間地址0x80040004讀取LED數(shù)據(jù)。圖12為LED顯示寫入從模塊數(shù)據(jù)。從圖中不難看出從模塊數(shù)據(jù)讀寫的有效性。

圖11 MVME3100發(fā)起讀寫數(shù)據(jù)0xffff0000

4 硬件設(shè)計(jì)與軟件開發(fā)注意事項(xiàng)

4.1 硬件設(shè)計(jì)方面

① 為保證信號(hào)穩(wěn)定，SCV64需要通過8位轉(zhuǎn)換器對(duì)VME總線的地址、數(shù)據(jù)、地址修正信號(hào)以及數(shù)據(jù)選通信號(hào)進(jìn)行緩沖。

② 為防止SCV64在VME總線系統(tǒng)中被配置為主控模式，BG3IN*信號(hào)不與總線相連，而應(yīng)通過10 kΩ電阻上拉至VDD；

③ 為保證SCV64正常工作，在上電復(fù)位PWRRST上升沿期間，要KDS保持高電平，因此KDS管腳需要通過4.7 kΩ電阻上拉至VDD。

④ 為保證菊花鏈通暢，需要短接總線信號(hào)BG3IN*與BG3OUT*。

4.2 軟件開發(fā)方面

① 為保證軟件運(yùn)行過程中，SCV64保持硬件配置，上電復(fù)位PWRRST僅在上電復(fù)位時(shí)有效一次，之后的任何系統(tǒng)復(fù)位都不應(yīng)造成PWRRST有效，PWRRST復(fù)位信號(hào)復(fù)位SCV64中全部硬件配置。

② 在不同操作中，F(xiàn)PGA與SCV64間的信號(hào)傳輸方向不同。為使傳輸正確，應(yīng)注意SN74LVC4245ADBR的方向控制信號(hào)的切換。

③ 訪問SCV64內(nèi)部寄存器時(shí)，需選通SCV64SEL片選信號(hào)。

④ 由于SCV64硬件模式在軟件運(yùn)行中沒有更改，程序上電初始化和寄存器配置狀態(tài)，僅在系統(tǒng)整體復(fù)位時(shí)運(yùn)行。

5 結(jié)束語

為滿足后續(xù)新機(jī)VME總線模塊電路板深修的需要，針對(duì)目前VME總線的研究現(xiàn)狀，基于SCV64這款VME接口協(xié)議芯片，研制一塊具有接收VME總線信號(hào)讀寫操作的從模塊。所研制的VME總線從模塊為后續(xù)豐富VME總線數(shù)據(jù)功能系統(tǒng)的搭建和完善打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。