基于Nios II系統(tǒng)的1553B總線網(wǎng)絡(luò)存儲器設(shè)計(圖)

本文設(shè)計了1553B總線上的網(wǎng)絡(luò)存儲器。整個系統(tǒng)基于NIOS II內(nèi)核設(shè)計，利用SoPC技術(shù)將接口部分的邏輯控制全部集成于FPGA片內(nèi)，系統(tǒng)的存儲量、結(jié)點(diǎn)數(shù)量均可擴(kuò)展。

20世紀(jì)70年代誕生的1553B總線，是一種主從式多余度總線，對總線硬件有嚴(yán)格的規(guī)定，可靠性和實(shí)時性好，已經(jīng)成為當(dāng)今軍用電子總線的首選。類似于以太網(wǎng)，1553B組網(wǎng)中也有“網(wǎng)絡(luò)硬盤”這樣的存儲需求，來減輕本地的存儲壓力，并可作為數(shù)據(jù)中繼供其他部分甚至其他組網(wǎng)使用。

Nios II嵌入式處理器是Altera公司于2004年6月推出的第二代用于可編程邏輯器件的可配置的軟核處理器，性能超過200 DMIPS。Nios II是基于哈佛結(jié)構(gòu)的RISC通用嵌入式處理器軟核，能與用戶邏輯相結(jié)合，編程至Altera的FPGA中。處理器具有32位指令集，32位數(shù)據(jù)通道和可配置的指令以及數(shù)據(jù)緩沖。它特別為可編程邏輯進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，也為可編程單芯片系統(tǒng)（SoPC）設(shè)計了一套綜合解決方案。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)總體方案
本系統(tǒng)的主要功能為接收1553B網(wǎng)絡(luò)發(fā)來的命令、數(shù)據(jù)，管理后級存儲器，提供一個訪問存儲器的網(wǎng)絡(luò)接口。系統(tǒng)的存儲器接口作為1553B總線中的從結(jié)點(diǎn)，平時處于待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)總線上有讀寫命令發(fā)來時，總線轉(zhuǎn)換接口根據(jù)命令從后級存儲器讀取數(shù)據(jù)或向其寫入數(shù)據(jù)。對于總線協(xié)議，最方便的是使用現(xiàn)成的協(xié)議芯片，但這樣做的成本非常高，1553B協(xié)議芯片的單片價格在6000元以上，這對于普通應(yīng)用來說是一個不小的負(fù)擔(dān)，如果能使用FPGA進(jìn)行協(xié)議管理，將使成本大大降低，另外，Quartus內(nèi)包含有很多存儲器管理的IP核可供使用，對于1553B的協(xié)議則需要自行定制組件。

系統(tǒng)程序?yàn)閮刹糠郑徊糠譃榻邮芫W(wǎng)絡(luò)命令及數(shù)據(jù)，另一部分為存儲器的讀寫。在NIOS IDE環(huán)境中，使用C語言作為編程語言。

系統(tǒng)硬件設(shè)計
系統(tǒng)的硬件模塊框圖見圖1所示。

系統(tǒng)的核心芯片采用Altera公司的CYCLONE III系列FPGA EP3C25F324。它采用了65nm低功耗工藝技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)，其集成度及性能有了明顯地提高，但功耗卻非常低，加上CYCLONE系列一直定位于低成本器件，芯片整體的性價比很高。

通過Quartus II 7.2集成的SOPC軟件向FPGA內(nèi)部移植Nios II內(nèi)核，所需組件如下。
● CPU：選用標(biāo)準(zhǔn)型CPU核，Debugger為Level 1，在滿足需求的情況下盡量節(jié)約片內(nèi)資源的使用。
● System_ID：下載時系統(tǒng)認(rèn)證時使用。
● Jtag_uart：FPGA與PC的通信接口，NIOS IDE軟件中使用會很方便。
● onchip_memory：片內(nèi)存儲器，中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)時使用。
● FLASH：Quartus軟件內(nèi)部集成

圖2 1553B總線的三種幀結(jié)構(gòu)

有Intel公司生產(chǎn)的128P308的控制組件，便于開發(fā)，若需要更大量的存儲，加大FLASH容量即可，如果有需要，可多掛幾片。
● FLASH_Bus：FLASH的數(shù)據(jù)是三態(tài)的，需要在CPU和FLASH之間加入Avalon三態(tài)總線橋。
● 1553B接口組件：與外部1553B總線通信的接口，Quartus軟件內(nèi)部未集成有該組件，需要自行開發(fā)。
在1553B的網(wǎng)絡(luò)上，本系統(tǒng)是作為從結(jié)點(diǎn)設(shè)計的。在系統(tǒng)內(nèi)部，1553B的接口組件需要作為Alavon總線上的主端口，其余存儲器控制模塊作為從端口。由于其余的端口在Quartus軟件內(nèi)部均有集成，所以，系統(tǒng)軟件設(shè)計的主要工作量就是1553B接口的組件開發(fā)。
存儲芯片采用Intel公司生產(chǎn)的128P308的FLASH芯片，符合通用接口標(biāo)準(zhǔn)，便于后續(xù)功能容量的更新升級。

圖3 FPGA內(nèi)部工作流程

系統(tǒng)軟件設(shè)計
定制1553B組件的核心任務(wù)就是將1553B的總線信號轉(zhuǎn)換到NIOS II內(nèi)部的Avalon總線上。

1553B組件作為Avalon總線上的主端口，選用的信號有clk、address、read、write、data、irq、reset、irqnumber等。傳輸方式為基本的主端口讀傳輸和寫傳輸。產(chǎn)生這些信號就需要從1553B總線上讀取的幀信號來實(shí)現(xiàn)。1553B總線上共有三種幀，命令幀、狀態(tài)幀和數(shù)據(jù)幀。這三種幀的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

對于這三種幀，命令幀、數(shù)據(jù)幀和狀態(tài)幀可以使用同一個緩存，因?yàn)樽鳛榇鎯Φ膹慕Y(jié)點(diǎn)不會主動向主結(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，整個工作都是被動接收主結(jié)點(diǎn)的命令，等待主結(jié)點(diǎn)讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)，系統(tǒng)只有單一的狀態(tài)，不會出現(xiàn)沖突。

對于Avalon總線中的信號，對應(yīng)于幀內(nèi)信號關(guān)系如下。
● read/write信號：命令幀內(nèi)的發(fā)送/接收位。
● address信號：命令幀內(nèi)的子地址以及數(shù)據(jù)長度位。
● data信號：數(shù)據(jù)幀內(nèi)的數(shù)據(jù)位。
● irq信號：狀態(tài)幀內(nèi)的標(biāo)志位引起。
● irqnumber信號：狀態(tài)幀內(nèi)的具體位置。
1553B組件的API函數(shù)包括有：
● altera_avalon_1553B_init()
● altera_avalon_1553B_enable()
● altera_avalon_1553B_disable()
● altera_avalon_1553B_getframe()
● altera_avalon_1553B_sendframe()
其余定制組件的步驟不再贅述。將組件通過SoPC定義完成后，命名為1553B，添加至NIOS II內(nèi)核中。

FPGA內(nèi)部的工作流程如圖3所示。

系統(tǒng)平時處于待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)命令幀到來時會引起中斷，中斷子程即通過altera_avalon_1553B_getframe()解讀命令幀的內(nèi)容，確定是讀取還是寫入，讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)的長度，數(shù)據(jù)的特征作為下次讀取的標(biāo)志，確實(shí)無誤后，開始讀取或?qū)懭搿?/P>

存儲器的管理與其他應(yīng)用中不同的有兩點(diǎn):在每次寫入后，必須將寫入的數(shù)據(jù)作一個標(biāo)志，以方便以后讀??；另外，還要計算剩余存儲的容量，在下一次需要寫入數(shù)據(jù)時判斷是否可以容納下本次存儲。1553B的主結(jié)點(diǎn)在使用完畢數(shù)據(jù)后也需要提供信號來清空存儲以釋放資源。