基于PCI/CPCI總線的嵌入式實(shí)時(shí)智能通信系統(tǒng)

摘    要：本文描述了一種基于PCI/CPCI總線的嵌入式實(shí)時(shí)智能通訊設(shè)備的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)，充分利用了PCI總線的高效能和嵌入式通訊控制器的強(qiáng)大功能，設(shè)計(jì)出了一種高速的智能通信設(shè)備。
關(guān)鍵詞：嵌入式微控制器；CPLD；智能通信模塊；PCI目標(biāo)設(shè)備接口芯片；PCI/CPCI總線

引言
在計(jì)算機(jī)通信領(lǐng)域，串口被廣泛運(yùn)用。在某些特殊的應(yīng)用領(lǐng)域，將會(huì)用到特殊的串口通信進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和報(bào)文交換。本設(shè)計(jì)就是針對(duì)一些特殊用途的應(yīng)用，即一些高速系統(tǒng)串口傳輸方式的設(shè)計(jì)。

嵌入式智能通信系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性特征
在設(shè)計(jì)一種嵌入式系統(tǒng)的時(shí)候，應(yīng)該考慮到硬件和軟件的結(jié)合，并考慮要滿足嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的各種特點(diǎn)。該設(shè)計(jì)具有以下特點(diǎn)：
* 與上位機(jī)接口采用PCI/CPCI總線。接口芯片采用AMCC S5920，它是一種PCI目標(biāo)設(shè)備接口芯片，其總線時(shí)鐘頻率達(dá)到33MHz，ADD-ON總線的時(shí)鐘達(dá)到40MHz，設(shè)計(jì)方便、可編程。
* 該設(shè)計(jì)用到了AMD公司專用的嵌入式微控制器Am186cc，該嵌入式CPU具有低功耗、體積小、集成度高等特點(diǎn)，能夠把通用CPU中許多由板卡完成的任務(wù)集成在芯片內(nèi)部，從而使設(shè)計(jì)趨于小型化。
* 專用性和算法的唯一性，將嵌入式系統(tǒng)和具體的應(yīng)用有機(jī)地結(jié)合在一起。
* 該智能通信設(shè)備體現(xiàn)了硬件和軟件緊密結(jié)合的特點(diǎn)，在硬件方案設(shè)計(jì)的同時(shí)，軟件要進(jìn)行同步設(shè)計(jì)，達(dá)到共同完成預(yù)定的功能，并滿足性能、成本和可靠性目標(biāo)。
* 嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)用戶是透明的。
* 設(shè)計(jì)響應(yīng)時(shí)間快，并有確定的硬實(shí)時(shí)性要求。
* 該智能通訊模塊具有快速啟動(dòng)、出錯(cuò)處理和自動(dòng)復(fù)位功能，這些功能由設(shè)計(jì)者在CPLD器件中的控制邏輯來實(shí)現(xiàn)。

主要硬件
PCI/CPCI目標(biāo)接口S5920
S5920是AMCC公司的PCI目標(biāo)設(shè)備接口芯片，它實(shí)際上可看成是一個(gè)橋接集成電路。主要特性包括：符合PCI V2.2規(guī)范；具有可編程預(yù)取和等待功能；局部總線支持8/16/32位可選擇寬度的接口；具有4個(gè)可定義的操作區(qū)域BADR1~BADR4，分別為存儲(chǔ)區(qū)、I/O區(qū)、保留區(qū)等。由于S5920的通用性，可用于所有PCI總線到ADD-ON總線的橋接轉(zhuǎn)換電路。
嵌入式微控制器Am186cc
AMD公司的通信控制器Am186cc廣泛運(yùn)用于嵌入式領(lǐng)域。具有四個(gè)高速數(shù)據(jù)鏈路控制通道(HDLC)；USB外圍控制器；有8個(gè)可支持HDLC和USB的智能DMA通道和4個(gè)一般的DMA通道等。
由于Am186cc控制器具有高效、高集成的控制和接口功能，已被廣泛運(yùn)用于通訊、電信、工業(yè)控制和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用等領(lǐng)域。本文所描述的智能通信模塊設(shè)計(jì)中用到了它的控制功能和串口通信功能。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本文設(shè)計(jì)的智能通信系統(tǒng)是基于Intel x86平臺(tái)的PCI總線和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，由嵌入式智能通信系統(tǒng)硬件和驅(qū)動(dòng)程序兩部分組成，如圖1所示。智能通信模塊完成數(shù)據(jù)交換和報(bào)文處理以及發(fā)送和接收功能。驅(qū)動(dòng)程序在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)對(duì)硬件進(jìn)行初始化，在系統(tǒng)啟動(dòng)之后實(shí)現(xiàn)硬件和應(yīng)用軟件之間的數(shù)據(jù)交互。考慮到通信的實(shí)時(shí)性和可靠性要求，該通信設(shè)備通過PCI/CPCI高速總線與計(jì)算機(jī)主機(jī)相連。
硬件設(shè)計(jì)
該設(shè)計(jì)為一種嵌入式實(shí)時(shí)智能通信板，板上用Am186cc 16位嵌入式微處理器進(jìn)行控制板的操作，兩片CPLD器件用作上位機(jī)與下位機(jī)訪問雙口RAM的控制譯碼和接口控制譯碼，可在線改寫邏輯。接口芯片可選用各類滿足用戶要求的電平轉(zhuǎn)換電路。該硬件的原理框圖如圖2所示。
用戶還可以根據(jù)自己的需要在接口處實(shí)現(xiàn)串行通信的不同傳輸模式：全雙工和半雙工。
板上除板內(nèi)的SRAM外，還設(shè)有雙口RAM區(qū)，對(duì)總線開放，用于本板與系統(tǒng)主機(jī)之間的信息交換。串口的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收工作由板上微控制器控制完成，一般情況下，當(dāng)主機(jī)有一組數(shù)據(jù)需要向串口傳送時(shí)，將數(shù)據(jù)放入雙口RAM，并以中斷方式通知板上CPU，板上CPU將負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送出去。同樣，當(dāng)CPU從串口收到數(shù)據(jù)后，將其放入雙口RAM，當(dāng)一組數(shù)據(jù)接收完成后，板上CPU將以中斷方式通知系統(tǒng)主機(jī)讀取這批數(shù)據(jù)。
雙口RAM的雙口競(jìng)爭(zhēng)原則如圖3所示。S0為初始狀態(tài)；S1為通信板上訪問狀態(tài)；S2為上位機(jī)訪問狀態(tài)；S3為過渡狀態(tài)；T1~T6為狀態(tài)改變條件。
由于用戶的運(yùn)用差別一般都體現(xiàn)在接口上，例如，有些用戶可能會(huì)考慮到系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和抗干擾性要求，需要采用帶光電隔離的接口模式；有些會(huì)考慮到遠(yuǎn)距離傳輸，可采用RS-422電平傳輸?shù)?。這樣，用戶可根據(jù)需求來選擇電平轉(zhuǎn)換的接口電路，以滿足各種用途。
軟件設(shè)計(jì)
在該智能通信模塊的設(shè)計(jì)中，特別強(qiáng)調(diào)底層驅(qū)動(dòng)和上層應(yīng)用的開發(fā)。
驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)
驅(qū)動(dòng)程序作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，它的開發(fā)關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。該模塊的驅(qū)動(dòng)程序主要包括以下幾個(gè)部分：
(1) 模塊初始化
int Board_Initialized(int board_num)；/*可用多塊智能通訊板，可分別初始化，也可同時(shí)                                    初始化*/
(2) 模塊禁止
int Board_Close(int channels)；/*可通道禁止，也可模塊級(jí)禁止*/
(3) 子通道初始化
int com_Sub_Initialized(int i，int j，msg_format msg)/*包括子通道初始化和報(bào)文格式定義*/
報(bào)文格式msg_format用結(jié)構(gòu)定義：
typedef  struct{
 unsigned int msg_head_flag ；/*報(bào)文頭標(biāo)識(shí)*/
unsigned int msg_head ；   
/*報(bào)文頭*/
unsigned int msg_length ； 
/*報(bào)文長(zhǎng)度*/
unsigned int msg_tail_flag ； 
/*報(bào)文尾標(biāo)識(shí)*/
unsigned int msg_tail ；    
/*報(bào)文尾*/
unsigned int msg_recv_baud ；
/*接收波特率*/
unsigned int msg_send_band ；
/*發(fā)送波特率*/
unsigned int msg_parity ；   
/*奇偶校驗(yàn)位*/
unsigned int msg_stop ；    
/*停止位*/
        }msg_format；
(4) 串口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)函數(shù)
int com_Send_Data(int i，unsigned int length，unsigned char c)；/*發(fā)送函數(shù)*/
int com_recv_Data(int channum，unsigned char buff)；/*接收函數(shù) */
該智能通信板的驅(qū)動(dòng)可應(yīng)用于DOS、UNIX以及VxWorks等，上層嵌入式實(shí)時(shí)軟件的良好開發(fā)也可以提高該模塊的性能。
首先，應(yīng)該根據(jù)用戶的實(shí)際需求建立軟件模型，給系統(tǒng)建立一個(gè)并發(fā)模型。在這個(gè)并發(fā)模型基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)任務(wù)劃分，即按照一定的任務(wù)構(gòu)造準(zhǔn)則，把系統(tǒng)分解成功能合理和數(shù)目合適的任務(wù)集合。任務(wù)分配把任務(wù)按照一些規(guī)則和約束，放入到相應(yīng)的計(jì)算機(jī)中，再由任務(wù)調(diào)度來決定任務(wù)的執(zhí)行順序，然后用語(yǔ)言來實(shí)現(xiàn)每個(gè)模塊。各部分實(shí)現(xiàn)后，應(yīng)該進(jìn)行測(cè)試。這樣實(shí)現(xiàn)的嵌入式軟件才能和硬件集成為完整的、先進(jìn)的、高效能的系統(tǒng)。
結(jié)語(yǔ)
本文介紹的嵌入式實(shí)時(shí)智能通信模塊的設(shè)計(jì)，功能強(qiáng)大、應(yīng)用廣泛，而且有一定的通用性，軟件設(shè)計(jì)的靈活性較強(qiáng)，可以滿足各種需要。并且該系統(tǒng)還可根據(jù)上位機(jī)的總線結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)，可用于Multibus-I、ISA、PCI等總線，以適應(yīng)市場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用?！?/P>

參考文獻(xiàn)
1孔祥營(yíng)，柏桂枝.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks及其開發(fā)環(huán)境Tornado. 中國(guó)電力出版社，2001
2 瀟湘工作室. 串行通信開發(fā)指南. 中國(guó)水利水電出版社，2001