探究CPCI總線的PMC載板設(shè)計(jì)

摘 要：設(shè)計(jì)了一種基于CPCI總線標(biāo)準(zhǔn)的PMC接口載板。載板以FPGA為核心，集成了CPCI接口模塊和DPRAM（雙口RAM）模塊，CPCI接口模塊采用FPGA+PCI IP核（軟核）解決了系統(tǒng)集成的問(wèn)題，DPRAM模塊為系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)緩存功能。環(huán)回測(cè)試和中斷測(cè)試解決了在沒(méi)有子卡PMC模塊的情況下，讀寫(xiě)、驗(yàn)證DPRAM空間數(shù)據(jù)和測(cè)試中斷響應(yīng)的問(wèn)題。此外，還支持子卡PMC模塊后出線到CPCI總線。調(diào)試結(jié)果表明，該載板在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks下可以穩(wěn)定運(yùn)行，正確地讀寫(xiě)DPRAM空間的數(shù)據(jù)，及時(shí)地響應(yīng)中斷，滿足了對(duì)載板的性能需求。

在工業(yè)和嵌入式領(lǐng)域?qū)嶋H工程應(yīng)用中，模塊化的設(shè)計(jì)思想已深入人心。針對(duì)不同使用場(chǎng)合的具體應(yīng)用以及為方便后續(xù)的維護(hù)和升級(jí)，將其中具有通用性和可持續(xù)利用的部分單獨(dú)設(shè)計(jì)成載板，載板配合不同的應(yīng)用模塊就可以組合成具有不同功能的專(zhuān)業(yè)I/O模塊。

Compact PCI（Compact Peripheral Component Interconnect）簡(jiǎn)稱(chēng)CPCI，中文又稱(chēng)緊湊型PCI，是國(guó)際工業(yè)計(jì)算機(jī)制造者聯(lián)合會(huì)PICMG（PCI Industrial Computer Manufacturer′s Group）于1994提出來(lái)的一種總線接口標(biāo)準(zhǔn)，是以PCI電氣規(guī)范為標(biāo)準(zhǔn)的高性能工業(yè)用總線［1］。CPCI規(guī)范改進(jìn)自PCI電氣規(guī)范2.1，應(yīng)用于工業(yè)和嵌入式領(lǐng)域。當(dāng)前最新的CPCI規(guī)范是PICMG 3.0。PICMG 3.0主要將應(yīng)用在高帶寬電信傳輸上，以適應(yīng)未來(lái)電信的發(fā)展，PICMG 2.x則仍是目前CPCI的主流，并將在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)主宰CPCI的應(yīng)用。

PCI夾層卡PMC（PCI Mezzanine Cards）是IEEE P1386.1的標(biāo)準(zhǔn)，作為一個(gè)IEEE標(biāo)準(zhǔn)，PMC確保了任何符合該標(biāo)準(zhǔn)的主板或者模塊能夠與其他按照該標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的主板或者模塊兼容［2］。這樣就為用戶提供了很大的柔性，用戶可以任意組合和搭配不同的主卡和模塊。PMC是個(gè)開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)，它為Multibus II、VME和Compact PCI帶來(lái)了前所未有的大量I/O產(chǎn)品和高性能。

本文結(jié)合實(shí)際的工程項(xiàng)目，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于CPCI總線并符合PICMG 2.0規(guī)范的6U（233.35 mm×160 mm）通用型PMC載板FTC-C920并開(kāi)發(fā)其在VxWorks 5.5下的驅(qū)動(dòng)軟件。

1 載板總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本著簡(jiǎn)潔和通用的前提，此載板主要由電源模塊（Power）、PMC接口模塊（J11~J14）、CPCI總線接口模塊（J1、J4、J5）和FPGA組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 PMC接口和CPCI總線接口模塊設(shè)計(jì)

PMC接口的特性為：前兩個(gè)（“P11”和“P12”）用于32位PCI信號(hào)，第3個(gè)（“P13”）是64位PCI信號(hào)需要。一個(gè)額外的總線連接器（“P14”），可用于非指定的I/O信號(hào)［2］。本設(shè)計(jì)中，PMC接口模塊采用4個(gè)（J11~J14）PMC（PCI Mezzanine Cards）8 mm高標(biāo)準(zhǔn)連接器，支持用戶子卡PMC后出線到CPCI總線接口J4和J5。圖1給出了板卡的CPCI連接器情況，J1用作32位PCI，J4和J5用作后面板I/O，可自定義［1］。

3 FPGA設(shè)計(jì)

從圖2中可以清楚地看到，F(xiàn)PGA主要被設(shè)計(jì)集成了PCI接口模塊（PCI Slave IP CORE）和DPRAM模塊。

3.1 PCI接口模塊設(shè)計(jì)

3.1.1 幾種PCI接口設(shè)計(jì)方案及選擇

常見(jiàn)的設(shè)計(jì)方案有：（1）專(zhuān)用的PCI接口芯片+CPLD；（2）ASIC+CORE；（3）專(zhuān)用的FPGA+PCI IP CORE（硬核）；（4）專(zhuān)用的FPGA+PCI IP CORE（軟核）；（5）帶PCI接口的DSP［3］。

幾種方案各有利弊，本文結(jié)合項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用需求選擇了第4種方案，這個(gè)方案滿足了系統(tǒng)集成的需求，并可自由添加接口邏輯，降低了成本，減小了設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。

3.1.2 具體設(shè)計(jì)

此模塊主要實(shí)現(xiàn)33 MHz工作時(shí)鐘、32 bit總線寬度的PCI接口功能，支持內(nèi)存空間及配置空間的讀寫(xiě)和PCI中斷功能。

PCI配置空間分配［4］：Vendor ID（廠商號(hào)）1206，Device ID（設(shè)備號(hào)）0920，BAR0（基地址）映射為1 MB內(nèi)存空間，其中0x0000~0x3FFF為DPRAM空間，0x4000~0x7FFF為DPRAM環(huán)回測(cè)試空間，0x8000以后為控制寄存器。

正常情況下（配合用戶PMC子卡使用時(shí)），CPCI通過(guò)DPRAM左（L）端口對(duì)DPRAM空間進(jìn)行讀寫(xiě)，用戶子卡則通過(guò)DPRAM右（R）端口對(duì)DPRAM空間進(jìn)行讀寫(xiě)；環(huán)回測(cè)試情況下（即沒(méi)有用戶PMC子卡的情況下），CPCI可以通過(guò)環(huán)回測(cè)試空間對(duì)DPRAM進(jìn)行讀寫(xiě)，即模擬用戶子卡對(duì)DPRAM空間進(jìn)行讀寫(xiě)。

需要注意的是，0x0000~0x3FFF為DPRAM 16 KB空間，對(duì)應(yīng)DPRAM空間大小為8K×16 bit，而0x4000~0x7FFF為DPRAM環(huán)回測(cè)試空間，不是FPGA另外開(kāi)辟的RAM空間，只是軟件通過(guò)這個(gè)空間地址在環(huán)回測(cè)試下讀寫(xiě)DPRAM空間（8K×16 bit）。示意圖如圖3所示。

PCI控制寄存器的分配如表1所示。

3.2 DPRAM模塊設(shè)計(jì)

雙口RAM模塊是FPGA調(diào)用內(nèi)部的IP核實(shí)現(xiàn)的，其為數(shù)據(jù)處理提供緩存功能，總線寬度為16 bit，容量為8 K×16 bit。在沒(méi)有用戶PMC子卡的情況下，為了驗(yàn)證對(duì)數(shù)據(jù)處理的可用性及準(zhǔn)確性，通過(guò)FPGA邏輯設(shè)計(jì)支持雙口RAM R端口環(huán)回自檢，如圖3（b）中虛線所示，即模擬用戶子卡對(duì)雙口RAM進(jìn)行讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的操作。

CPCI和用戶PMC子卡通信采用雙口RAM方式，雙口RAM用戶PMC子卡側(cè)總線定義如表2所示。

4 VxWorks下設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

開(kāi)發(fā)此PMC載板Vxworks 5.5下的驅(qū)動(dòng)，硬件選用了Motorola公司的實(shí)時(shí)主控單板機(jī)MCP-750、工控機(jī)箱CPX2000 series和此PMC載板FTC-C920，操作系統(tǒng)則選擇了美國(guó)風(fēng)河公司的VxWorks嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，使用普通的PC，在Tornado IDE（集成開(kāi)發(fā)環(huán)境）下進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的開(kāi)發(fā)。以良好的可靠性和卓越的實(shí)時(shí)性著稱(chēng)的VxWorks可以滿足系統(tǒng)對(duì)于高實(shí)時(shí)性和高可靠性的要求［5］。驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)軟硬件環(huán)境簡(jiǎn)圖如圖4所示。

對(duì)驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)主要有3個(gè)部分：載板自檢測(cè)試模塊、FTC-C920和系統(tǒng)控制器互通測(cè)試模塊以及CPCI中斷測(cè)試模塊。

4.1 載板自檢測(cè)試模塊

載板自檢測(cè)試主要是載板檢測(cè)自身器件是否正常工作，功能是否可以實(shí)現(xiàn)。

4.1.1 查找C920載板

對(duì)于Vxworks下PCI設(shè)備調(diào)試來(lái)說(shuō)，其有專(zhuān)門(mén)的函數(shù)可供調(diào)用，查找FTC-C920載板可以通過(guò)調(diào)用函數(shù)pciFindDevice（）來(lái)實(shí)現(xiàn)，它包含在pciConfigShow庫(kù)函數(shù)中，此庫(kù)函數(shù)專(zhuān)門(mén)用來(lái)幫助顯示一些PCI設(shè)備的信息。此函數(shù)可以根據(jù)PCI設(shè)備給定的供應(yīng)商標(biāo)識(shí)（VENDOR ID）和設(shè)備標(biāo)識(shí)（DEVICE ID）找到相應(yīng)的設(shè)備，并以此返回設(shè)備的總線號(hào)（busNO）、設(shè)備號(hào)（deviceNO）和功能號(hào)（funcNO）。

4.1.2 讀取FTC-C920上的配置資源信息

根據(jù)獲得的設(shè)備的總線號(hào)（busNO）、設(shè)備號(hào)（deviceNO）和功能號(hào)（funcNO），通過(guò)調(diào)用操作系統(tǒng)庫(kù)函數(shù)pciConfigLib中的函數(shù)pciConfigInLong和pciConfigInByte訪問(wèn)C920的配置空間，獲得設(shè)備映射的內(nèi)存基地址（memBase）和I/O基地址（ioBase）以及中斷號(hào)irq，分辨對(duì)基地址空間是I/O操作還是內(nèi)存操作，獲得的基地址要分別與存儲(chǔ)器屏蔽位PCI_MEMBASE_MASK和I/O屏蔽位PCI_IOBASE_MASK相“與”，才能得到真正板卡的內(nèi)存基地址和I/O基地址。

4.2 FTC-C920和系統(tǒng)控制器互通測(cè)試模塊

互通測(cè)試主要是：

（1）系統(tǒng)控制器（MCP-750）讀取用戶PMC子卡數(shù)據(jù)：用戶PMC子卡向雙口RAM中寫(xiě)入數(shù)據(jù)，系統(tǒng)控制器（MCP0750）從雙口RAM中讀取數(shù)據(jù)，并驗(yàn)證數(shù)據(jù)是否正確。

（2）用戶PMC子卡讀取系統(tǒng)控制器（MCP-750）數(shù)據(jù)：系統(tǒng)控制器（MCP-750）向雙口RAM中寫(xiě)入數(shù)據(jù)；用戶PMC子卡從雙口RAM中讀取數(shù)據(jù)，并驗(yàn)證數(shù)據(jù)是否正確。

由于FTC-C920是通用型PMC載板，為了在沒(méi)有用戶PMC子卡的情況下驗(yàn)證互通測(cè)試，在FPGA的設(shè)計(jì)上進(jìn)行了支持DPRAM R端口環(huán)回自檢的設(shè)計(jì)，如圖2中虛線所示。

正常情況下（配合用戶PMC子卡使用時(shí)），環(huán)回測(cè)試空間不可使用，此時(shí)FPGA內(nèi)部環(huán)回自檢控制寄存器的相應(yīng)位為默認(rèn)值0。如進(jìn)行環(huán)回自檢（沒(méi)有用戶PMC子卡時(shí)），需往環(huán)回自檢控制寄存器的相應(yīng)位寫(xiě)1，此時(shí)，系統(tǒng)控制器可對(duì)環(huán)回測(cè)試空間進(jìn)行讀寫(xiě)。

4.3 CPCI中斷測(cè)試模塊

CPCI中斷測(cè)試主要是用戶PMC子卡通過(guò)寫(xiě)寄存器的方式產(chǎn)生CPCI中斷；系統(tǒng)控制器響應(yīng)中斷，讀取數(shù)據(jù)并驗(yàn)證數(shù)據(jù)是否正確。

在沒(méi)有用戶PMC子卡的情況下，可以通過(guò)產(chǎn)生內(nèi)部中斷的方式進(jìn)行測(cè)試，具體的方法是在FPGA中設(shè)置中斷使能寄存器，中斷測(cè)試寄存器，中斷狀態(tài)寄存器和清中斷寄存器。程序流程圖如圖5所示。

本文詳細(xì)描述了某項(xiàng)目中PMC載板FTC-C920的設(shè)計(jì)方法及其在VxWorks操作系統(tǒng)下驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)流程。在沒(méi)有用戶PMC子卡的情況下，通過(guò)環(huán)回測(cè)試空間的設(shè)計(jì)，解決了互通測(cè)試的要求，通過(guò)中斷測(cè)試寄存器的設(shè)計(jì)，解決了中斷測(cè)試的要求。調(diào)試結(jié)果表明，此PMC載板在VxWorks 5.5下可以穩(wěn)定地運(yùn)行。本文的設(shè)計(jì)方法具有一定的通用性，可為相關(guān)工程技術(shù)人員提供可以參考的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

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