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。