一種高集成主機(jī)接口的電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

魏艷艷 蔡葉芳 牛少平 郝沖 航空工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所 集成電路與微系統(tǒng)設(shè)計(jì)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

1 引言

在航空飛機(jī)管理系統(tǒng)總線網(wǎng)絡(luò)中，有很多的成品用戶，它們使用的處理器主機(jī)接口都不盡相同，因此設(shè)計(jì)上會(huì)有支持各主機(jī)接口的不同邏輯版本，這樣開發(fā)成本高，設(shè)計(jì)驗(yàn)證工作量大，管理維護(hù)不方便。為了解決該問題，本文以成熟邏輯為基礎(chǔ)，通過產(chǎn)品需求統(tǒng)型，擴(kuò)展部分技術(shù)需求，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際，進(jìn)行了高集成主機(jī)接口電路的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)為連入飛機(jī)管理系統(tǒng)總線網(wǎng)絡(luò)中的成品提供了一套統(tǒng)一、完整、高集成度的總線網(wǎng)絡(luò)接口解決方案。

2 總體設(shè)計(jì)

主機(jī)接口是處理器和芯片之間數(shù)據(jù)交互、寄存器控制狀態(tài)信息傳遞的橋梁。主機(jī)接口主要實(shí)現(xiàn)處理器將發(fā)送數(shù)據(jù)、控制寄存器信息寫到芯片中，從芯片中讀取接收數(shù)據(jù)、相關(guān)寄存器狀態(tài)信息等功能。圖1 所示為主機(jī)接口電路設(shè)計(jì)圖，其內(nèi)部包括主機(jī)接口復(fù)用模塊、PCI 總線接口模塊、16 位異步總線接口模塊、32 位異步總線接口模塊和后端邏輯模塊，外部與處理器、芯片連接。

圖1 主機(jī)接口電路設(shè)計(jì)圖

3 模塊設(shè)計(jì)

3.1 主機(jī)接口復(fù)用模塊

該模塊主要實(shí)現(xiàn)主機(jī)接口管腳復(fù)用的處理。硬件上有1 套主機(jī)接口管腳，設(shè)計(jì)上按照管腳的I/O 屬性相同或包含的原則進(jìn)行復(fù)用，這樣可以減少芯片的對(duì)外引腳。

硬件一上電通過鎖存外部給的2 個(gè)離散量開關(guān)信號(hào)，從3 種主機(jī)接口中選擇出1 種，接著按照這種主機(jī)接口進(jìn)行工作，其他2 種主機(jī)接口不工作，這樣功耗低。

3.2 PCI 總線接口模塊

該模塊內(nèi)部集成MENTOR 公司的商用PCI32 核，兼容PCIv2.2 協(xié)議，其時(shí)鐘頻率為33MHz/66MHz，支持32 位地址數(shù)據(jù)線、32 位訪問方式、單數(shù)據(jù)段傳輸和突發(fā)傳輸兩種方式，支持PCI 標(biāo)準(zhǔn)配置空間，用戶可以根據(jù)需要配置。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

圖2 PCI 接口模塊結(jié)構(gòu)框圖

設(shè)計(jì)上支持PCI 從接口，使用目標(biāo)通道T0、T1 和T2，對(duì)應(yīng)BAR0、BAR1、BAR2 三個(gè)地址空間，其中T0 被配置為寄存器型的目標(biāo)設(shè)備，T1和T2 被配置為FIFO 類型的目標(biāo)設(shè)備。BAR0 空間保留，BAR1空間為16KB大小，BAR2空間為256KB大小，其基地址可配置。芯片的寄存器通過PCI 轉(zhuǎn)換接口（pcit_if）連接在T1上，數(shù)據(jù)緩沖連接在T2上。PCI 轉(zhuǎn)換接口用于PCI 接口與后端邏輯的時(shí)序轉(zhuǎn)換。

3.3 16 位異步總線接口模塊

16 位異步總線接口可作為DSP6713、DSP6414、DSP2812 等處理器的外部存儲(chǔ)器接口，主要包括17 個(gè)地址線、16 個(gè)數(shù)據(jù)線、3 個(gè)片選線、1 個(gè)中斷線。

該接口支持32 位訪問方式（需要軟件將一次32 位主機(jī)訪問分為兩次16 位總線訪問），讀操作必須先讀低16 數(shù)據(jù)，后讀高16 位數(shù)據(jù)，寫操作必須先寫低16 位數(shù)據(jù)，后寫高16 位數(shù)據(jù)。

3.4 32 位異步總線接口模塊

32 位異步總線接口可作為32 位異步總線處理器的外部存儲(chǔ)器接口，主要包括16 個(gè)地址線、32 個(gè)數(shù)據(jù)線、3 個(gè)片選線、1 個(gè)中斷線。該接口支持32 位訪問方式。

設(shè)計(jì)上16 位和32 位異步總線接口的地址空間相同，地址線寬度可根據(jù)實(shí)際使用的地址空間大小進(jìn)行分配。文獻(xiàn)[2]是22位地址線，16 位數(shù)據(jù)線的異步總線接口設(shè)計(jì)。

3.5 后端邏輯模塊

該模塊主要完成對(duì)各主機(jī)接口與后端芯片連接的寄存器和數(shù)據(jù)緩沖存儲(chǔ)資源進(jìn)行選擇及控制處理功能。

設(shè)計(jì)中寄存器包括整個(gè)系統(tǒng)芯片內(nèi)部的控制狀態(tài)信息寄存器和系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)的寄存器。數(shù)據(jù)緩沖用于存儲(chǔ)芯片收發(fā)消息的數(shù)據(jù)內(nèi)容，數(shù)據(jù)線32 位，地址線16 位。

4 實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證

本文采用硬件描述語言Verilog HDL 實(shí)現(xiàn)RTL 設(shè)計(jì)，基于主機(jī)接口模型搭建虛擬仿真平臺(tái)，編寫測(cè)試用例和運(yùn)行腳本，通過QuestaSim 軟件進(jìn)行虛擬仿真驗(yàn)證。使用Xilinx XC5VLX330T 進(jìn)行FPGA 邏輯綜合，外接PCI 接口的MPC8245 處理器[3-4]或者具有異步總線接口的處理器，開發(fā)配套的驅(qū)動(dòng)程序和測(cè)試軟件，模擬主機(jī)運(yùn)行測(cè)試程序在FPGA 原型驗(yàn)證平臺(tái)上進(jìn)行FPGA 功能驗(yàn)證。

5 結(jié)論

本文針對(duì)航空飛機(jī)管理系統(tǒng)總線網(wǎng)絡(luò)多種處理器主機(jī)接口應(yīng)用的需求，以ASIC 芯片設(shè)計(jì)技術(shù)為技術(shù)手段，集成了3 種主機(jī)接口，并進(jìn)行了該電路的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，虛擬仿真驗(yàn)證和FPGA 原型驗(yàn)證。結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)的各項(xiàng)功能都正確，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。該電路具有集成度高、通用性好、低功耗、對(duì)外管腳數(shù)目少等多種優(yōu)勢(shì)，并且具有高安全、高可靠的特性，已經(jīng)在型號(hào)產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用中得到認(rèn)可，具有重要的推廣意義。