基于FPGA的PXA270外設(shè)時(shí)序轉(zhuǎn)換接口設(shè)計(jì)方案

1 引言

　　ARCNET協(xié)議應(yīng)用于高速動(dòng)車組列車通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)，產(chǎn)生中央控制單元處理器PXA270與專用協(xié)議控制器件COM20020相連的時(shí)序不匹配問題，若用通用數(shù)字電路模塊進(jìn)行時(shí)序轉(zhuǎn)換，PXA270需占用PXA270專門的資源(CPU時(shí)間片)對(duì) COM20020的寄存器、數(shù)據(jù)包緩沖區(qū)進(jìn)行低速讀寫訪問(對(duì)COM20020的相鄰兩次讀操作相隔至少300 ns)，這樣將增加處理器的負(fù)擔(dān)?；谶@種現(xiàn)狀，提出一種基于FPGA的PXA270外設(shè)時(shí)序轉(zhuǎn)換接口設(shè)計(jì)方案，以FPGA為橋梁進(jìn)行時(shí)序轉(zhuǎn)換，并增加存儲(chǔ)器直接訪問DMA(Direct Memory Aeeess)功能，即FPGA自動(dòng)完成數(shù)據(jù)包的收發(fā)工作，PXA270則只需高速讀寫訪問FPGA中的同步雙口RAM。

　　2 時(shí)序轉(zhuǎn)換接口整體設(shè)計(jì)

　　2.1 FPGA對(duì)外接白

　　采用FPGA連接PXA270處理器與外設(shè)以解決PXA270處理器與外設(shè)直接連接時(shí)的時(shí)序不匹配問題。如圖1所示，F(xiàn)PGA從PXA270處理器獲得地址總線(ADDRBUS[17..14]， ADDRBUS[9..0])，片選信號(hào)(SYSCS5)，讀允許(SYSOE)，寫允許(SYSWE)，并提供雙向數(shù)據(jù)端口DATABUS[7..0] (可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用修改為32位或16位等)，中斷(interrupt);同時(shí)，F(xiàn)PGA向COM20020提供特定的總線接口，包括 COM20020_DS，COM20020_CS，COM20020_DIR，COM20020_DATABUS [7..0]，COM20020_ADDRBUS[2..0]等。

　　2.2 內(nèi)部功能實(shí)現(xiàn)

　　PXA270和外設(shè)之間的連接是將FPGA中的雙口RAM作為數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站，以此間接相連。該設(shè)計(jì)由以下4個(gè)功能模塊組成。

　　(1)PXA270對(duì)外設(shè)指定寄存器單次寫操作PXA270先將所要寫的數(shù)據(jù)送人雙口RAM，然后PXA270向FPGA的命令寄存器寫入對(duì)該外設(shè)指定寄存器的單次寫指令，然后FP-GA根據(jù)接收到的命令將RAM中的數(shù)據(jù)輸出到外設(shè)數(shù)據(jù)總線，同時(shí)給出對(duì)外設(shè)的寫時(shí)序。

　　(2)PXA270對(duì)外設(shè)指定寄存器單次讀操作PXA270先向FPGA的命令寄存器寫入對(duì)該外設(shè)指定寄存器的單次讀指令，此時(shí)，F(xiàn)PGA給出對(duì)外設(shè)的讀時(shí)序，并驅(qū)動(dòng)RAM的地址總線、寫時(shí)鐘等信號(hào)，將外設(shè)數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)傳送到RAM中。再延時(shí)1μs，PXA270從RAM中讀出數(shù)據(jù)。

　　(3)PXA270對(duì)外設(shè)批數(shù)據(jù)寫操作與單次寫操作不同的是，PXA270需先將所要寫入的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到RAM的連續(xù)空間，然后向FPGA的命令寄存器寫入批數(shù)據(jù)寫操作指令，F(xiàn)P-GA根據(jù)接收到的命令將RAM中的數(shù)據(jù)分次送至外設(shè)數(shù)據(jù)總線，且需保證向COM20020的寫時(shí)序與之同步。

　　(4)PXA270對(duì)外設(shè)批數(shù)據(jù)讀操作 由FPGA給出對(duì)外設(shè)的連續(xù)多次讀時(shí)序?qū)⑼庠O(shè)中的數(shù)據(jù)送人RAM，完成存儲(chǔ)工作。PXA270等待批數(shù)據(jù)讀完成中斷發(fā)生后對(duì)RAM進(jìn)行連續(xù)讀。

　　3 功能模塊設(shè)計(jì)

　　3.1 時(shí)序發(fā)生模塊設(shè)計(jì)

　　COM20020有80xx-like和68xx-like兩種總線訪問方式。這里中實(shí)現(xiàn)68xx-like訪問方式，圖2為其讀寫訪問時(shí)序。

讀寫時(shí)序的共同要求為：片選信號(hào)CS必須先于DS至少5 ns，并且只允許在DS無效之后CS才能恢復(fù)為高電平;讀寫方向信號(hào)DIR應(yīng)在DS有效前至少10 ns建立;DS高電平寬度不小于20 ns。兩者的不同要求：寫時(shí)序的地址總線先于操作脈沖DS至少15 ns建立，DS低電平不小于20 ns，數(shù)據(jù)總線有效數(shù)據(jù)必須在DS變高之前至少30 ns建立，保持至DS變高后至少10 ns;而讀時(shí)序的地址總線先于片選信號(hào)至少15 ns建立，DS低電平不小于60 ns，DS變低到數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)有效的間隔最大為40 ns，DS變高到數(shù)據(jù)總線高阻抗的間隔最大為20 ns，這是COM20020作為數(shù)據(jù)輸出方給訪問設(shè)備提供的特性。針對(duì)以上讀寫時(shí)序的要求，具體設(shè)計(jì)如下：DIR在一次操作中只有高或低電平一種可能，通過命令寄存器在操作前事先給出，而后給出使能信號(hào)，DS在CS有效之后變低，而在CS無效之前變高，以便數(shù)據(jù)可靠鎖存。

　　圖3為COM20020的時(shí)序原理圖，從時(shí)序分析可得出如下設(shè)計(jì)方案：DIR用于指示操作是讀還是寫，DIR=‘1’為讀，否則為寫。在操作前先對(duì)DIR 賦值;在EN有效時(shí)選擇CS，CLK的下一次上升沿變?yōu)橛行?。這樣是給寫操作對(duì)COM20020數(shù)據(jù)總線準(zhǔn)備數(shù)據(jù)之用，不影響讀操作;DS選擇在CS有效的下一個(gè)CLK上升沿變?yōu)橛行?，但在CS無效前兩個(gè)時(shí)鐘周期給出上升沿，以滿足“片選信號(hào)CS必須先于DS至少5 ns，并且只能在DS無效之后恢復(fù)為高電平”，并且DS中間應(yīng)有至少60ns的時(shí)鐘寬度，因而保持3個(gè)CLK周期有效。圖4為CommandGenerator時(shí)序仿真圖。采用計(jì)數(shù)器進(jìn)行時(shí)序同步。以下給出VHDL源代碼。

圖5為批數(shù)據(jù)從WRRAM向外設(shè)傳送的連續(xù)時(shí)鐘產(chǎn)生和自動(dòng)地址生成原理圖。其中，lpm_counter0為帶有異步清零和進(jìn)位信號(hào)的增計(jì)數(shù); AutoAccessDataNumsOnce在EN='1'時(shí)，產(chǎn)生一次批傳送時(shí)鐘，根據(jù)COM20020的長(zhǎng)短數(shù)據(jù)包傳送要求，在CCESSTYPE =‘1’時(shí)傳送長(zhǎng)數(shù)據(jù)包(512 B)，否則傳送短數(shù)據(jù)包(256 B)。FRE信號(hào)同時(shí)提供WRRAM的rdclock和lpm_counter0的clock信號(hào)。

圖6為一次批數(shù)據(jù)向RAM中寫，而后啟動(dòng)DMA傳輸，將數(shù)據(jù)從RAM送至COM20020的時(shí)序仿真。在WRCLOCK上升沿時(shí)，RAM將datain總線上的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到WR_AD-DRESS所指向的字節(jié)地址空間，WRCLOCK信號(hào)是由PXA270的WE信號(hào)與分配給RAM的片選信號(hào)(高電平有效)相與而得。對(duì)RAM進(jìn)行模擬寫時(shí)必須確保AUTOWREN無效(低電平);在檢驗(yàn)數(shù)據(jù)DMA傳輸?shù)腞AM輸出環(huán)節(jié)，WRCLOCK應(yīng)不再出現(xiàn)上升沿信號(hào)，以防RAM同時(shí)讀寫造成輸出不定值。此外，每個(gè)數(shù)據(jù)從outputdata端口輸出時(shí)，CS、DS在一定延時(shí)后(1個(gè)CLK時(shí)鐘周期)給時(shí)序產(chǎn)生留足夠時(shí)間。需說明：COM20020內(nèi)部有2 K字節(jié)的RAM空間，用于存放待發(fā)送或已接收的數(shù)據(jù)包，在向RAM中寫數(shù)據(jù)包前，指定該數(shù)據(jù)包的存放位置，然后將COM20020中的指針自動(dòng)移動(dòng)位置 1，則只需連續(xù)的向該RAM中寫數(shù)據(jù)，而不必給出地址信號(hào)。

3.3 對(duì)外設(shè)指定寄存器操作

　　對(duì)外設(shè)指定寄存器操作比批數(shù)據(jù)傳送實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，只需將操作次數(shù)降為1次，并對(duì) COM20020的A2～A0提供相應(yīng)的地址即可。指定寄存器操作將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在RAM的高512字節(jié)空間，并且只占用其中低8個(gè)字節(jié)，在PXA270編程時(shí)，需確保PXA270送入RAM的地址與命令寄存器中的RAM存儲(chǔ)地址COMMANDBYTE[2..0]相對(duì)應(yīng)。

　　4 結(jié)論

　　本設(shè)計(jì)解決ARCNET協(xié)議專用器件應(yīng)用于列車通信網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)序匹配問題，實(shí)現(xiàn)了PXA270處理器與COM20020的時(shí)序轉(zhuǎn)換。此外，對(duì)擴(kuò)展其他總線訪問類型提供了參考框架，可通過修改CommandGenerator中COM20020時(shí)序，實(shí)現(xiàn)不同外設(shè)總線訪問類型的擴(kuò)展;修改 AutoAccessDataNun-sOnce中的ACCESSTYPE，可配置批數(shù)據(jù)操作的數(shù)據(jù)種類。