DSP HPI口與PC104總線接口的FPGA設(shè)計(jì)

在一款嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采用TMS320VC5409 DSP作為對(duì)多路信號(hào)的采集與預(yù)處理，處理后的數(shù)據(jù)送至12.7 Cm(5in)的工控計(jì)算機(jī)中進(jìn)行分析與保存。因?yàn)楣た貦C(jī)的總線為PC104，因此需要設(shè)計(jì)PC104與DSP之間的通信接口。系統(tǒng)中以Altera公司的一片FPGA芯片EPlK50來(lái)對(duì)該接口和數(shù)據(jù)采集過(guò)程中的邏輯控制與FIFO進(jìn)行設(shè)計(jì)。下面主要闡述該通信接口的設(shè)計(jì)。

1 DSP的HP0接口
TMS320VC5409 DSP的HPI是一個(gè)8位的并行接口，主要用來(lái)與主設(shè)備或主處理器接口。DSP內(nèi)部有一定數(shù)量的雙訪問(wèn)RAM，除了DSP本身可以訪問(wèn)該RAM區(qū)域外，主機(jī)也可以通過(guò)HPI口實(shí)現(xiàn)對(duì)雙訪問(wèn)RAM的訪問(wèn)，從而實(shí)現(xiàn)主機(jī)與DSP的通信。

HPI接口通過(guò)HPI控制寄存器HPIC、地址寄存器HPIA、數(shù)據(jù)寄存器HPID等3個(gè)HPI寄存器進(jìn)行控制和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。這3個(gè)寄存器都是16位的，因此主機(jī)訪問(wèn)這些寄存器時(shí)需要分兩次操作才能完成。

HPIC只有4位用于控制HPI的操作，這4位分別位于高字節(jié)和低字節(jié)的低4位，并規(guī)定HPIC的高低字節(jié)必須相同：
Bit0／8(BOB)一一用于字節(jié)順序控制，BOB=1表示第1個(gè)字節(jié)為低字節(jié)，否則第1個(gè)字節(jié)為高字節(jié)；
Bitl／9(SMOD)一一訪問(wèn)模式控制，SMOD=l表示共享訪問(wèn)模式(SAM)，否則為主機(jī)訪問(wèn)模式(HOM)；
Bit2／10(DSPINT)一一主機(jī)通過(guò)將該位寫l來(lái)向DSP發(fā)送1次HPI中斷；
Bit3／11(H1NT)一一DSP通過(guò)向該位置l，使外部引腳HINT產(chǎn)生一個(gè)低電子作為給主機(jī)的中斷，中斷的清除必須由主機(jī)向該位寫l來(lái)清除。

HPID是數(shù)據(jù)寄存器，主機(jī)通過(guò)讀寫該寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)共享RAM的讀寫，RAM的地址則由HPIA地址寄存器的內(nèi)容來(lái)決定。因此，主機(jī)對(duì)DSP的訪問(wèn)過(guò)程是，先往HPI地址寄存器HPIA寫入欲訪問(wèn)的地址，然后再對(duì)數(shù)據(jù)寄存器HPID進(jìn)行讀或?qū)懺L問(wèn)。

HPI接口信號(hào)包括：
HAS一一輸入，地址鎖存信號(hào)，可連接到高電平；
HBIL一一輸入，字節(jié)識(shí)別信號(hào)，用來(lái)識(shí)別傳輸?shù)氖歉唠娖竭€是低電平；
HCNTL[1..0]一一輸入，HPI寄存器的訪問(wèn)地址信號(hào)，主機(jī)用來(lái)選擇訪問(wèn)的HPI寄存器。如表l所列；

HCS一一輸入，HPI片選信號(hào)，低電平有效；
HD[7..0]一一雙向三態(tài)數(shù)據(jù)總線；
HDS1/HDS2一一數(shù)據(jù)輸入選通信號(hào)，可將其中一個(gè)接低電平，另一個(gè)接邏輯控制；
HINT一一輸出，給主機(jī)的中斷信號(hào)，由HPIC寄存器的HINT位控制；
HRDY一一輸出，HPI準(zhǔn)備好，高電子有效；
HR／W一一輸入，讀寫控制信號(hào)，高電子表示主機(jī)進(jìn)行讀操作，低電子表示主機(jī)進(jìn)行寫操作。
HPI的訪問(wèn)時(shí)序如圖l所示。如前所述，訪問(wèn)寄存器時(shí)需要分兩次操作才能完成。

2 PC104總線
PC104總線是從ISA總線衍生而來(lái)的，主要是為了適應(yīng)嵌入式系統(tǒng)的需要。在8.89 cm(3.5 in)和12.7cm(5in)工控主板中，大多使用PC104總線作為標(biāo)準(zhǔn)接口總線。PC104總線共有104根引腳，其中絕大多數(shù)與ISA總線信號(hào)特性完全一致，只有極個(gè)別的信號(hào)有區(qū)別，因此在應(yīng)用中完全可以按ISA總線使用。PC104總線與ISA總線一樣，是一個(gè)16位和8位同時(shí)兼容的總線。在本系統(tǒng)中，使用的是8位的方式，將DSP的HPI口作為PC104總線的8位I／O設(shè)備。PC104總線的I／O訪問(wèn)時(shí)序如圖2和圖3所示。

根據(jù)PC104總線的I／O訪問(wèn)時(shí)序，只需使用以下的總線信號(hào)，即可完成8位總線的通信設(shè)計(jì)：
SD[7．．0]一一PC104數(shù)據(jù)總線；
SA[9..0]一一PC104地址總線；
IOW一一PC104端口寫控制，低電平有效，表示對(duì)I／0口寫操作，由OUT指令執(zhí)行；
IOR一PC104端口讀控制，低電子有效，表示對(duì)I／O口讀操作，由IN指令執(zhí)行；
SYSCLK一一PC104總線時(shí)鐘；
ALE一一地址鎖存信號(hào)，在此不用作地址鎖存，而是用作總線周期的開始同步，它的下降沿表示總線周期開始；
IOCHRDY一一I／0設(shè)備就緒信號(hào)，當(dāng)將該電平為低(無(wú)效狀態(tài))時(shí)，表示I／0設(shè)備要延長(zhǎng)總線周期，信號(hào)由三態(tài)門或集電極開路門驅(qū)動(dòng)；
IRQ一一中斷請(qǐng)求信號(hào)，當(dāng)I／O設(shè)備需要向PC機(jī)通信或是采集的信號(hào)已經(jīng)準(zhǔn)備好后，向PC發(fā)起中斷，申請(qǐng)通信，PC將數(shù)據(jù)讀走。

3 接口設(shè)計(jì)
根據(jù)前面的分析，得出接口原理如圖4所示。

圖4中，F(xiàn)PGA為EPlK50。EPlK50內(nèi)部擁有2880個(gè)邏輯單元，40 960位的RAM。在本系統(tǒng)中，不僅作為HPI和PC104的接口邏輯，還有其他功能，如FIFO、A／D控制等。

EP1K50的內(nèi)核供電電壓為2.5 V，I／O供電電壓為3.3 V，可以直接與I／O供電電壓也是3.3 V的TMS320VC5409 DSP相連．另外，EPIK50能承受-0.7~5.75V的輸入電子，輸出則與TTL電平兼容，因此EP1K50也可以直接與5 VTTL電平的PC104總線相連，從而在DSP和PC104總線之間起電平轉(zhuǎn)換的作用，不需再使用其他的電子轉(zhuǎn)換器件，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。

對(duì)于接口設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，最主要的就是時(shí)序設(shè)計(jì)。時(shí)序設(shè)計(jì)正確了，系統(tǒng)就能正確地工作。在綜合了HPI的訪問(wèn)時(shí)序與PC104總線的讀寫時(shí)序后，得出以下設(shè)計(jì)方法：
①對(duì)于HPI寄存器的訪問(wèn)可以通過(guò)地址編碼實(shí)現(xiàn)，偶地址對(duì)應(yīng)寄存器的低字節(jié)，奇地址對(duì)應(yīng)寄存器的高字節(jié)，如表2所列。

于是相應(yīng)信號(hào)關(guān)系為：
HCNTL[1．．0]=SA[2．．1]
HBIL=SA[0]
當(dāng)SA[9．．0]=0x350~0x357時(shí)，HCS=0，SA[9..0]
為其他值時(shí)，HCS=1。
②HD[7..O]和SD[7..0]設(shè)計(jì)成雙向總線。
③HR／W的產(chǎn)生：當(dāng)PCI04進(jìn)行讀操作時(shí)，HR／W=1；當(dāng)PC104進(jìn)行寫操作時(shí)，HR／W=0。于是：
HR／W=0，當(dāng)IOR=1且IOW=0時(shí)；
HR／W=1，當(dāng)IOR=0且IOW=1時(shí)。
④在DSP上將HDS2直接接低電子，HDSl在HBIL為0和HBIL為1時(shí)，分別產(chǎn)生一個(gè)變化沿，用以選通數(shù)據(jù)。該信號(hào)的產(chǎn)生是接口設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵。在此使用PCI04總線的系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)SYSCLK來(lái)計(jì)數(shù)產(chǎn)生。詳細(xì)過(guò)程可參見VHDL代碼。
⑤PCI04總線的中斷請(qǐng)求信號(hào)IRQ=HINT取非。因?yàn)镻C104設(shè)置為上升沿中斷。
⑥PC104總線的外部I／0準(zhǔn)備好信號(hào)IORDY在地址選通有效過(guò)程中接HPI口的HRDY信號(hào)，地址選通無(wú)效時(shí)置為高阻態(tài)。

4 代碼設(shè)計(jì)
代碼包括接口設(shè)計(jì)的VHDL源碼和驗(yàn)證的X86匯編語(yǔ)言代碼，代碼內(nèi)容見本刊網(wǎng)站(WWW.dpj.com.cn)。VHDL代碼在Altera公司的開發(fā)工具QuartusII下編譯，經(jīng)下載電纜下載到FPGA后，可在Debug中用匯編語(yǔ)言對(duì)DSP進(jìn)行讀寫驗(yàn)證。

結(jié) 語(yǔ)
本文使用VHDL語(yǔ)言和FPGA，設(shè)計(jì)了PC104總線與DSP之間的接口。之所以使用FPGA，是因?yàn)樵谙到y(tǒng)中FPGA還包含有其他的功能設(shè)計(jì)。如果只有PC104總線與DSP之間的接口設(shè)計(jì)，使用CPLD即可完成，而不必浪費(fèi)FPGA的資源。