1引言
IEEE1394是一種高速串行總線,，它最初是由Apple公司與20世紀(jì)80年代中期開發(fā)的FireWire總線,。1995年，IEEE制定并頒布了IEEE 1394-1995標(biāo)準(zhǔn),，并在2000年推出了IEEE 1394a標(biāo)準(zhǔn),，可以支持100Mbps、200Mbps和400Mbps的傳輸速率,。在最新的IEEE1394B標(biāo)準(zhǔn)中,，支持的傳輸速率提高到了800Mbps、1.6Gbps和3.2Gbps,。IEEE1394總線以其高傳輸速率的特點已經(jīng)在視頻傳輸,、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)及計算機外設(shè)等領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用[1]。目前在航空[2]及航天應(yīng)用中對大量數(shù)據(jù)的高速實時傳輸要求不斷提高,，IEEE1394具有數(shù)據(jù)傳輸速率高,、支持等時傳輸?shù)忍攸c，因而成為未來星載數(shù)據(jù)總線的選擇之一,。
在星載應(yīng)用中,，由于任務(wù)的多樣性,，對星載總線接口的需求多種多樣,。譬如部分載荷本身沒有集成1394接口卻需要用1394總線來傳輸數(shù)據(jù)；或者幾個載荷需要共用一個1394總線接口,；或者是載荷自身沒有帶微控制器等控制單元,。并且各種載荷對外的數(shù)據(jù)接口也是各不相同的。這時就需要一種體積小,，簡單并且易于擴(kuò)充接口能的智能終端配合載荷一起工作,。由于IEEE1394總線協(xié)議比較復(fù)雜，實際應(yīng)用中大多數(shù)采用專用的1394總線芯片,，面向?qū)Ｓ孟到y(tǒng)的1394芯片都支持微處理器接口,。常見的1394總線設(shè)計采用的是微處理器加上1394總線芯片及外圍邏輯芯片,，這種設(shè)計方案需要的芯片數(shù)量多，接口設(shè)備體積大,，擴(kuò)充接口功能實現(xiàn)起來比較復(fù)雜,。
針對IEEE1394星載應(yīng)用的實際需要，本文基于MC8051軟核,，提出一種簡單,、低功耗、小型化和易于擴(kuò)展的IEEE1394智能終端設(shè)計方案,，克服了以往1394總線接口硬件電路復(fù)雜,、使用芯片多、體積大等缺點,，并且可以很方便地擴(kuò)展接口的其他功能,。
2 系統(tǒng)實現(xiàn)方案
整個1934接口系統(tǒng)的框圖如圖1所示。采用的是Actel公司基于FLASH技術(shù)的ProASIC Plus系列FPGA芯片APA600,。它具有單芯片上電即用,、高性能和低功耗等特點[2]。由于上電即用,，減小了電路板體積,，有助于簡化電路設(shè)計。在方案試驗中使用的是TI公司的鏈路層芯片TSB12LV32[3]和物理層芯片TSB41AB[4],。TSB12LV32是一款高性能的通用IEEE1394a鏈路層芯片,，用于在主控制器和1394物理層芯片以及連接到鏈路層DM口的外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。它兼容IEEE1394-1995和P1394a標(biāo)準(zhǔn),，支持400,、200和100Mbps的傳輸速率。提供可選的具有多種操作模式的8位/16位微控制器接口,，最大支持60MHz,。芯片內(nèi)部分別內(nèi)置了2K字節(jié)大小的通用接口FIFO和異步傳輸FIFO，用于微控制器接口和物理層接口之間的數(shù)據(jù)包傳送,，8位/16位數(shù)據(jù)移動端口支持25MHZ下的等時,、異步和數(shù)據(jù)流包的發(fā)送和接收。TSB41AB3是一款三端口兼容IEEE 1394-1995和P1394a標(biāo)準(zhǔn)400Mbps的物理層芯片.
在FPGA中整合了開源的兼容標(biāo)準(zhǔn)8051的微控制器IP核MC8051,，將程序存儲器,、程序存儲器、外部數(shù)據(jù)存儲器以及UART和定時器都集成在一片F(xiàn)PGA中,?？梢愿鶕?jù)任務(wù)需要很方便地在FPGA內(nèi)定制其他所需要的接口和邏輯單元，譬如AD/DA控制，CAN總線等,。
通過上述三個部分可以構(gòu)成面向特定應(yīng)用的完整的1394總線接口系統(tǒng),。
3 基于MC8051 IP的1394總線接口設(shè)計
3.1 Oregano Systems MC8051 IP Core¬[5]
Oregano Systems公司發(fā)布的MC8051 IP Core是一個基于GUN LGPL的開源IP Core。它完全兼容標(biāo)準(zhǔn)的8051控制器,，并且對其體系結(jié)構(gòu)作了改進(jìn),，在使用相同時鐘頻率情況下，將指令的執(zhí)行時間下降到1到4個時鐘周期,，因此速度得到了十幾倍的提升,，并且降低了功耗。MC8051模型是可綜合RTL風(fēng)格,，完全的同步設(shè)計,，具有單一時鐘網(wǎng)絡(luò)，通過調(diào)整和修改VHDL代碼可以輕松地擴(kuò)展其功能,。具有128字節(jié)的片內(nèi)RAM,，最高可以支持64K的ROM和RAM，并且集成了UART,、定時器,、中斷和4組8位的I/O口。
3.2 MC8051設(shè)計要點
3.2.1 MC8051參數(shù)配置
MC8051提供了參數(shù)化設(shè)計,，通過修改VHDL中的參數(shù)值可以很輕易的修改內(nèi)部模型,，例如UART個數(shù)，Timer個數(shù),，選擇乘法器等,。在本應(yīng)用系統(tǒng)中不需要涉及乘除法運算，因此在配置文件mc8051_p.vhd中將常數(shù)C_IMPL_MUL, C_IMPL_DIV以及C_IMPL_DA的設(shè)置為0,。
3.2.2時鐘和RAM設(shè)計
MC8051 IP核在Actel的APA600上綜合得到的最高時鐘頻率為15MHZ左右,，為了使用于調(diào)試的串口波特率誤差最小，用Actel Libero內(nèi)的SmartGen產(chǎn)生11.0592MHz的時鐘作為系統(tǒng)時鐘,。
MC8051所需要的內(nèi)部RAM和RAM都應(yīng)該調(diào)用器件的底層單元來實現(xiàn),。以128字節(jié)的內(nèi)部RAM為例。用SmartGen產(chǎn)生一個128*8大小的雙口RAM ram128_8.vhd,，然后在mc8051_ram.vhd中例化,。
3.2.3 ROM設(shè)計
MC8051完全兼容標(biāo)準(zhǔn)8051芯片，可采用KEIL uVision開發(fā)環(huán)境,，建立工程文件時候Select Device選擇 Oregano Systems的8051 IP Core, 然后編譯寫好的51程序,，產(chǎn)生HEX文件。需要從HEX文件中得到程序數(shù)據(jù),，這里簡單介紹一下HEX文件格式。HEX文件是由任意數(shù)量的十六進(jìn)制記錄組成的，每個記錄包含5個域,，他們以下面的格式排列[6]：
:llaaaatt[dd…]cc
HEX文件都是由冒號開頭的,，ll是數(shù)據(jù)長度域，表示記錄中數(shù)據(jù)字節(jié)的個數(shù),；aaaa為地址域,，標(biāo)識記錄中數(shù)據(jù)字節(jié)的開始地址；tt是記錄類型域,，51程序產(chǎn)生的hex文件只有兩種記錄類型,，包括數(shù)據(jù)記錄（00）和文件結(jié)束記錄（01）；dd是數(shù)據(jù)域,，表示一個字節(jié)的數(shù)據(jù)
選用的Actel APA系列FPGA沒有底層的ROM單元,，因此用VHDL設(shè)計實現(xiàn)ROM。通過了解了HEX文件的格式,，編寫了從HEX文件讀取數(shù)據(jù)和地址信息,然后生成mc8051_rom.vhd文件,，其中程序數(shù)據(jù)以常數(shù)的形式存在數(shù)組文件中。
3.2.4 MC8051與TSB32LV32之間的接口
鏈路層芯片微處理器接口包括16位寬的數(shù)據(jù)總線以及7位寬的地址總線,?？梢酝ㄟ^設(shè)置鏈路層芯片的COLDFIRE，M8BIT_SIZ0,MCMODE_SIZE這三個端口的狀態(tài),，可以得到微處理器接口的各種不同操作模式,，本設(shè)計中設(shè)置成16位MCS－MCA握手模式。
在系統(tǒng)頂層文件中對MC8051_top進(jìn)行例化,，連接MC8051與1394鏈路層芯片TSB12LV32,。
MC8051的4組I/O口都是將輸入和輸出分開的，所以每組都可以配置成輸入和輸出,。我們通過MCS和MWR來控制DM 和P1,、P2口的連接。
3.3 基于MC8051的1394總線控制實現(xiàn)
MC8051通過TSB12LV32的微控制器接口實現(xiàn)對鏈路層和物理層內(nèi)部寄存器的讀取和設(shè)置,，其中對鏈路層芯片的寄存器讀寫直接通過微控制器接口操作,，而對物理層芯片寄存器讀寫是通過對鏈路層24H的Phy Access Register讀寫實現(xiàn)。
1394芯片部分內(nèi)部寄存器需要在系統(tǒng)上電的時候初始化或者在運行時候進(jìn)行設(shè)置,，一些則需要在運行時被監(jiān)視以決定系統(tǒng)狀態(tài),，而鏈路層內(nèi)部的異步發(fā)送FIFO和通用接收FIFO也是通過讀寫寄存器來訪問的。因此正確讀寫寄存器是1394接口實現(xiàn)中非常重要的一步,。
通過正確設(shè)置控制寄存器,，DM口控制器寄存器等內(nèi)部寄存器便可以實現(xiàn)1394總線的各種傳輸模式的收發(fā)。
對1394芯片的控制另外一個主要部分是對中斷的響應(yīng)和處理,。將TSB12LV32芯片的INT管腳與MC8051的int0相連,，通過int0的下跳沿檢測中斷發(fā)生,。TSB12LV32芯片中有兩個寄存器是和中斷相關(guān)的。設(shè)置10H的中斷屏蔽寄存器中相應(yīng)的某一位為1,，則的0CH中斷寄存器響應(yīng)位便跳變?yōu)楦唠娖?，同時產(chǎn)生相應(yīng)的中斷。當(dāng)有中斷發(fā)生的時候,，INT管腳變低電平,，而清除中斷則需要往中斷寄存器相應(yīng)位寫入1。因此我們在中斷發(fā)生時候,，可以通過讀取中斷寄存器的值查看發(fā)生了哪種中斷,，然后做出正確的響應(yīng)。
主要程序的流程圖如下：
4 結(jié)論
我們根據(jù)本文介紹的方案,，設(shè)計和研制了基于mc8051的1394總線接口,。經(jīng)過測試，1394總線系統(tǒng)工作正常,。該總線接口具有集成度高,，體積小，傳輸速率高等特點,，同時可以根據(jù)實際任務(wù)需要很方便的擴(kuò)充接口功能,。本文介紹的方案對與1394總線接口的研究開發(fā)具有借鑒意義。
本文作者創(chuàng)新點：將MC8051軟核應(yīng)用與星載智能1394終端設(shè)計,。