0 引言

    目前的儀器或者工控系統(tǒng)多數(shù)使用集成式工控機(jī)箱，機(jī)箱背板一般通過(guò)CPCI(Compact PCI)接口連接所有的插卡,，包括工控電腦和各種采集卡,、控制卡等。設(shè)計(jì)板卡時(shí)需要考慮CPCI接口實(shí)現(xiàn)及通信機(jī)制,，現(xiàn)有板卡多使用專用接口芯片,，例如PCI9054芯片，這類芯片可擴(kuò)展性不強(qiáng),，需要外擴(kuò)FPGA芯片,，使用不靈活；且直接使用FPGA的IP核實(shí)現(xiàn)CPCI協(xié)議占用資源多,，開(kāi)發(fā)成本較高,，在有某些特殊需求時(shí)不便擴(kuò)展。

    本文提出了一種基于FPGA的CPCI系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn),，使用廉價(jià)FPGA芯片實(shí)現(xiàn)CPCI通信協(xié)議,，同時(shí)利用FPGA的可編程特性實(shí)現(xiàn)電源控制、靈活中斷,、外部觸發(fā),、外部通信等特殊應(yīng)用的功能，解決了CPCI協(xié)議經(jīng)過(guò)CPCI橋時(shí)的沖突問(wèn)題,。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)框圖

    如圖1所示,，本系統(tǒng)主要包含嵌入式板卡和CPCI工控機(jī)箱，板卡插入到CPCI機(jī)箱背板插槽,。嵌入式板卡內(nèi)的FPGA與CPCI插槽間使用CPCI總線和用戶IO連接,，F(xiàn)PGA與ARM之間通過(guò)特定IO實(shí)現(xiàn)的總線連接，同時(shí)FPGA上連接一個(gè)三極管驅(qū)動(dòng)的繼電器^[1],。

1.2 系統(tǒng)功能

    FPGA和背板接口為CPCI接口,，通過(guò)CPCI協(xié)議通信；ARM使用自定義總線協(xié)議將數(shù)據(jù)寫(xiě)入到FPGA的RAM緩存，然后使用CPCI接口發(fā)送給主控機(jī),，反之亦然,。FPGA能識(shí)別CPCI的信號(hào)給ARM產(chǎn)生中斷，也能夠識(shí)別ARM的信號(hào)給CPCI產(chǎn)生有效中斷,，還可以通過(guò)繼電器控制板卡上電,、下電、復(fù)位,，能通過(guò)IO控制實(shí)現(xiàn)ARM的ISP（在線升級(jí),，僅需控制一個(gè)ARM管腳）功能并產(chǎn)生背板觸發(fā)信號(hào)。

    下文從FPGA設(shè)計(jì),、ARM設(shè)計(jì)和通信機(jī)制三方面進(jìn)行說(shuō)明,。

2 FPGA設(shè)計(jì)

    如圖2所示，F(xiàn)PGA內(nèi)部主要包括CPCI協(xié)議,、IO_MEM,、ARM解碼、讀中斷產(chǎn)生,、CPCI中斷產(chǎn)生,、電源控制等模塊^[2-3]。FPGA芯片根據(jù)使用資源和成本選擇Xilinx公司的XC2S100,，最后使用387個(gè)Slice寄存器(占比16%),、882個(gè)LUTs(占比36%)。

2.1 CPCI協(xié)議模塊

2.1.1 協(xié)議

    CPCI協(xié)議兼容PCI2.2協(xié)議,，擴(kuò)展了部分用戶接口,，所以模塊按照標(biāo)準(zhǔn)PCI2.2協(xié)議完成，實(shí)現(xiàn)配置空間管理,、IO讀寫(xiě),、Memory單字讀寫(xiě)、Memory突發(fā)讀寫(xiě),、仲裁和中斷等功能,。協(xié)議細(xì)節(jié)參看文獻(xiàn)[4]、[5],。

2.1.2 FPGA仿真

    對(duì)ISE布線后的文件用ModelSimXE進(jìn)行時(shí)序后仿真,，下面給出通過(guò)CPCI總線進(jìn)行Memory突發(fā)讀寫(xiě)的仿真，因IO讀寫(xiě)和Memory單字讀寫(xiě)時(shí)序與Memory突發(fā)讀寫(xiě)類似,，在此不再贅述^[6-8],。

    圖3上半部分是Memory突發(fā)寫(xiě)的時(shí)序過(guò)程，在地址0xd000處連續(xù)寫(xiě)入10個(gè)依次遞增的32 bit數(shù)據(jù),，起始數(shù)據(jù)為0x15896345,。下半部分是寫(xiě)完之后的Memory突發(fā)讀時(shí)序,，可見(jiàn)從0xd000讀出的連續(xù)若干32 bit數(shù)據(jù)，與寫(xiě)入完全一致,。

    此CPCI板卡在插入實(shí)際機(jī)箱槽位時(shí)出現(xiàn)這樣的問(wèn)題：某些廠家的機(jī)箱特定槽位插入會(huì)死機(jī)。該問(wèn)題使用市面上的成品CPCI板卡也會(huì)遇到,，經(jīng)過(guò)分析,，修改了CPCI板卡協(xié)議里的一個(gè)關(guān)于CPCI橋的接口，死機(jī)情況不再發(fā)生,。

2.2 IO_MEM模塊

    本模塊由3個(gè)雙口RAM組成,，在CPCI系統(tǒng)中命名為BA0、BAR1,、BAR2,，BAR0和BAR2是16 B的IO空間，僅支持單個(gè)字讀取,，BAR1為2 048 B的MEM空間,，支持單字讀寫(xiě)和突發(fā)讀寫(xiě)。其中BAR1僅支持1 B的空間訪問(wèn),，只用來(lái)進(jìn)行電源控制和ISP,，不可通過(guò)其他外設(shè)訪問(wèn)。

2.3 ARM解碼模塊

    本模塊實(shí)現(xiàn)FPGA與ARM之間IO和Memory接口時(shí)序,，因兩者時(shí)序基本相同,，以Memory時(shí)序?yàn)槔f(shuō)明，定義如圖4和圖5所示,。硬件接口由時(shí)鐘,、使能、RAM選擇,、讀寫(xiě)選擇,、地址數(shù)據(jù)總線（8根）組成。特別需要注意的是,，時(shí)鐘線必須連接到FPGA的全局時(shí)鐘管腳上,。

    Memory讀/寫(xiě)時(shí)序必須保證在地址A有效之后的第2個(gè)時(shí)鐘周期開(kāi)始接收/輸入數(shù)據(jù)，32 bit數(shù)據(jù)由4 B組成,，按低位字節(jié)到高位字節(jié)的順序輸出/輸入,，數(shù)據(jù)組合/拆分由ARM完成。接收/寫(xiě)入不同地址段的數(shù)據(jù)必須先使en_arm無(wú)效,，然后再使能,。

2.4 ARM讀中斷

    當(dāng)FPGA內(nèi)部的BAR0寫(xiě)有效時(shí)使能int_arm，該信號(hào)會(huì)觸發(fā)ARM的外部IO中斷,。通過(guò)CPCI接口往BAR0寫(xiě)入任何數(shù)據(jù)均可產(chǎn)生一個(gè)脈沖觸發(fā)信號(hào),，可以使用此信號(hào)去中斷ARM,。

2.5 CPCI中斷

    ARM需要給CPCI產(chǎn)生中斷，機(jī)制如下：

    (1)ARM給IO0空間偏移地址2寫(xiě)入0x01,，在INTA#上出現(xiàn)低電平觸發(fā)信號(hào),；

    (2)主控機(jī)檢測(cè)到此電平觸發(fā)中斷，馬上禁止中斷,，往IO1空間偏移地址0寫(xiě)入0xfb,，之后INTA#被拉高，此時(shí)ARM無(wú)法通過(guò)步驟(1)再次發(fā)送中斷,，也就是說(shuō),，INTA#無(wú)法被ARM拉低；

    (3)主控機(jī)處理完臨界代碼之后,，往IO1空間偏移地址0寫(xiě)入0xfa,，允許ARM產(chǎn)生中斷，也即,，ARM可以通過(guò)步驟(1)再次產(chǎn)生中斷,。

2.6 外圍控制

    電源控制和觸發(fā)信號(hào)都是通過(guò)ARM或者主控機(jī)給CPCI的特定空間寫(xiě)入預(yù)定信息，檢測(cè)信息之后做出相應(yīng)的處理^[6],。

    (1)主控機(jī)向BAR2空間的0偏移寫(xiě)入0xff,、0xfe、0xfd,、0xfc實(shí)現(xiàn)上電,、掉電、復(fù)位,、ISP功能,；

    (2)主控機(jī)往BAR2空間的0偏移寫(xiě)入一個(gè)小于128的數(shù)，此數(shù)值是給背板產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖個(gè)數(shù),；

    (3)ARM往BAR0空間的1偏移寫(xiě)入一個(gè)小于256的數(shù),，此數(shù)值是給背板產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖個(gè)數(shù)，ARM能產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖比主控機(jī)多一倍,。

3 ARM設(shè)計(jì)

    在本系統(tǒng)中,，ARM和FPGA的總線連接使用IO口模擬實(shí)現(xiàn)。按照前面描述的時(shí)序,，ARM中接口相關(guān)功能有：

    (1)響應(yīng)中斷信號(hào),，讀取、執(zhí)行IO命令,；

    (2)讀取IO數(shù)據(jù),；

    (3)讀寫(xiě)Memory數(shù)據(jù)。

    因接口時(shí)序的ARM代碼實(shí)現(xiàn)較簡(jiǎn)單,，在此不再贅述,，具體的實(shí)現(xiàn)機(jī)制可參看后續(xù)的通信機(jī)制設(shè)計(jì),。

4 通信機(jī)制設(shè)計(jì)

    從CPCI的角度看，ARM和主控機(jī)為主設(shè)備,，F(xiàn)PGA為從設(shè)備,。對(duì)于FPGA來(lái)說(shuō)，CPCI接口和ARM接口完全獨(dú)立,，但是兩者都可以對(duì)RAM進(jìn)行讀寫(xiě),，如果沒(méi)有一個(gè)協(xié)調(diào)機(jī)制，很可能發(fā)生讀寫(xiě)沖突,，必須有一個(gè)規(guī)則來(lái)協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)的傳送^[9-10]。因?yàn)镃PCI為標(biāo)準(zhǔn)接口,，所以需要定義的是FPGA和ARM的接口和主控機(jī)驅(qū)動(dòng)讀寫(xiě)規(guī)則,，下面介紹FPGA和ARM的接口和主控機(jī)讀寫(xiě)規(guī)則。

主控機(jī)與ARM需要交互的數(shù)據(jù)全部放在FPGA的RAM中進(jìn)行緩沖,。實(shí)現(xiàn)規(guī)則如下：

    (1)IO空間只分配1 B,，存放主控機(jī)發(fā)送的命令；

    (2)Memory中讀寫(xiě)空間分開(kāi),，偏移0～999為主控機(jī)寫(xiě),、ARM讀數(shù)據(jù)空間，1 000～2 048為主控機(jī)讀,、ARM寫(xiě)數(shù)據(jù)空間,。

    圖6描述了ARM、CPCI和主控機(jī)的數(shù)據(jù)流向和讀寫(xiě)流程,。為避免系統(tǒng)讀寫(xiě)沖突,，需按照如下規(guī)則執(zhí)行操作：

    (1)ARM讀寫(xiě)CPCI的Memory空間之前，使write_acc或read_acc無(wú)效,，讀寫(xiě)完畢使之有效,。

    (2)主控機(jī)讀Memory時(shí)首先讀read_acc，如果有效,，開(kāi)始讀所需內(nèi)存,，否則等待一段時(shí)間重試；寫(xiě)Memory時(shí)首先讀write_acc,，如果有效,，開(kāi)始往指定內(nèi)存寫(xiě)數(shù)據(jù)，否則等待一段時(shí)間重試,；主控機(jī)對(duì)IO的寫(xiě)不需要讀write_acc,。

    (3)主控機(jī)寫(xiě)Memory一般過(guò)程為：先根據(jù)所需命令確定需要將數(shù)據(jù)寫(xiě)入哪些空間，然后將配置數(shù)據(jù)寫(xiě)入Memory中,，最后把控制命令寫(xiě)入IO空間,；讀Memory則直接讀取數(shù)據(jù),。

    本方案用于數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)字基帶模擬卡,、本振信號(hào)發(fā)生卡,、中頻變頻接收卡等多種功能應(yīng)用，兼容研華,、凌華等幾大廠家的工控機(jī)箱,。

5 結(jié)束語(yǔ)

    本文給出了一種基于FPGA的CPCI系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，介紹了實(shí)施基本框架,、CPCI協(xié)議,、自定義總線通信協(xié)議和通信沖突避免機(jī)制，按照設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了低成本,、高密度,、易擴(kuò)展的CPCI通信系統(tǒng)，在工程上便于實(shí)現(xiàn),，能廣泛應(yīng)用于工控和測(cè)量領(lǐng)域,，對(duì)類似設(shè)計(jì)提供了參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 任勇峰,，彭巧君,，劉占峰.基于FPGA的CPCI高速讀數(shù)接口設(shè)計(jì)[J].電子器件，2015（1）：148-151.

[2] 田源,，王立德,，嚴(yán)翔，等.基于FPGA+CPCI的WTB通信板設(shè)計(jì)[J].機(jī)車(chē)電傳動(dòng),，2014（4）：28-32,，56.

[3] 王銳，張友方,，陳延云,，等.基于FPGA的數(shù)據(jù)采集卡的CPCI接口設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)，2010,，37（2）：35-37.

[4] PICMG2.0R3.0,，CompactPCI Specification[Z].1999.

[5] PCI Local Bus Specification(Revision 2.3)[Z].PCI Local Bus，2001.

[6] 劉青,，馬天乙.CPCI數(shù)據(jù)總線接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子科技,，2011，24（6）：95-96,，100.

[7] SHANLEY T,，ANDERSON D.PCI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2000.

[8] 李貴山,，戚德虎.PCI局部總線開(kāi)發(fā)者指南[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社,，1997.

[9] 巫幪,，蘇濤，史佳歡.通用信號(hào)處理板卡的CPCI總線接口設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)[J].國(guó)外電子元器件,，2007（2）：26-30.

[10] 郭立俊,，譚劍波.一種基于FPGA的CPCI總線接口設(shè)計(jì)方法[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2014（5）：596-599.

作者信息:

魏建勇

（武漢虹旭信息技術(shù)有限責(zé)任公司,，湖北 武漢430074）