基于FPGA的PCI總線串口卡設計

隨著計算機測試技術(shù)的飛速發(fā)展，越來越多的外部設備通過串口與計算機進行通信，實現(xiàn)信息共享以及設備的集中控制和管理。利用串口進行通信具有結(jié)構(gòu)簡單、傳輸距離遠、成本低廉等優(yōu)點，被廣泛應用于各個領(lǐng)域[1]。同時，PCI(Peripheral Component Interconnect)總線是一種高性能32/64位局部總線，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為132 Mb/s，可同時支持多組外設，數(shù)據(jù)吞吐量大，是目前應用最廣泛、最流行的一種高速同步總線[2]。因此，利用PCI總線實現(xiàn)上位機與外部設備的串口通信，可以提高通信能力。
　由于大部分I/O 設備沒有PCI總線功能，要實現(xiàn)設備與PCI總線的連接，需要PCI接口芯片、通用異步收發(fā)器UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter)等。而目前開發(fā)PCI總線與外部設備的串口通信大體上有兩種方式：(1)使用專用的芯片，如：PCI專用接口芯片S5920、S5933等；UART專用芯片8250、8251、16450、16550等。使用廠家提供的專用接口芯片，用戶可能只使用到它的部分功能，會造成一定的資源浪費，而且專用芯片價格高。(2)使用可編程器件FPGA。使用FPGA較使用專用芯片具有以下優(yōu)點：一方面用戶可以根據(jù)需要進行設計，不會浪費資源；另一方面可以將PCI接口、UART都做在一片F(xiàn)PGA內(nèi)，這樣就不需要外接專門的芯片，簡化了電路、縮小了體積、提高了系統(tǒng)的可靠性。
1系統(tǒng)硬件設計
　本設計中選用Altera公司的FPGA芯片EP1C6SQ240作為核心器件，完成PCI接口以及UART的設計，實現(xiàn)PCI總線與串口的連接。選用美信公司的MAX490芯片作為電平轉(zhuǎn)換電路。系統(tǒng)的硬件連接框圖如圖1所示。

　數(shù)據(jù)傳輸過程：上位機通過PCI總線發(fā)送并行數(shù)據(jù)到UART的數(shù)據(jù)緩存器中，然后數(shù)據(jù)經(jīng)UART的數(shù)據(jù)緩存器進入UART的移位寄存器進行并串轉(zhuǎn)換后，通過串口傳到下位機。反之，下位機通過串口將數(shù)據(jù)傳送到UART的移位寄存器中，進行串并轉(zhuǎn)換，然后進入UART的數(shù)據(jù)緩存器中，最后傳到上位機。
　設計中采用，傳輸距離長、抗干擾能力強的RS422串口。但是規(guī)定RS422:邏輯1的電平為-6 V～-2 V；邏輯0的電平為+2 V～+6 V。而FPGA的I/O電平一般為0～3.3 V，二者之間的電平不兼容。為了使二者之間的供電電壓保持一致，必須加入電平轉(zhuǎn)換電路。為此選用美信公司的MAX490芯片來實現(xiàn)二者之間的電平轉(zhuǎn)換，其電路原理圖如圖2所示。

1.1  PCI總線接口
　PCI總線接口的功能是將一個不支持 PCI 協(xié)議的后端設備接口到PCI 總線上。為了實現(xiàn)PCI總線接口的基本功能，必須完成如下模塊的設計：PCI空間配置模塊、偶校驗模塊、地址譯碼和命令譯碼模塊、設備狀態(tài)機模塊等。PCI總線接口原理框圖如圖3所示。

1.1.1 PCI空間配置模塊
　PCI協(xié)議支持3種地址空間：I/O空間、內(nèi)存空間和配置空間。配置空間是PCI所特有的一種空間，其大小為256 B，前64 B是必需的，記錄了PCI串口設備的基本信息。PCI設備的一些主要的信息如下：
　(1) VendorID、DeviceID:分別表示設備的生產(chǎn)廠商和設備編號。
　(2) Command：命令寄存器，包含設備控制位，包括允許存儲器讀寫響應等。
　(3) Status：狀態(tài)寄存器，記錄PCI總線的相關(guān)事件信息。
　(4) Base Adress Register：基地址寄存器，指示此PCI設備按I/O方式還是按內(nèi)存方式進行讀寫以及需要的地址空間大小。
　(5) Interrupt Line、Interrupt Pin：為設備使用的中斷號和中斷引腳。
1.1.2 偶校驗模塊
　PCI總線的偶校驗用于檢驗數(shù)據(jù)傳輸是否正確。在PCI總線上，利用偶校驗模塊檢查每次傳輸中主設備是否正確地尋址到目標設備，以及它們之間的數(shù)據(jù)是否正確地傳輸。
1.1.3 地址譯碼和命令譯碼模塊
　地址譯碼模塊主要用于檢測地址與此PCI串口設備的基地址是否匹配，如果匹配，則PCI串口設備響應當前的總線操作。
　命令譯碼模塊表示PCI串口設備響應不同的總線命令，通過檢測PCI-cbe[3：0]信號線上的值，完成命令譯碼。
1.1.4 設備狀態(tài)機模塊
　PCI總線接口電路是時序復雜的接口電路,它的復雜性由PCI總線操作的多樣性決定。根據(jù)PCI的總線操作類型和總線操作時序關(guān)系，在這里抽象出一種簡潔明了，符合總線時序、更易于硬件描述語言實現(xiàn)的狀態(tài)機?？偩€接口狀態(tài)機示意圖如圖4所示。狀態(tài)機的設計是整個設計的核心部分,利用該狀態(tài)機可以完成配置寄存器、存儲器、I/O的讀寫操作。

　狀態(tài)機包括4個狀態(tài)：空閑(idle)狀態(tài)、配置讀寫（con）狀態(tài)、存儲器或I/O讀寫(rw)狀態(tài)、傳輸中止（backoff）狀態(tài)。系統(tǒng)復位后，狀態(tài)機轉(zhuǎn)入空閑狀態(tài)，在空閑狀態(tài)中采樣總線，并根據(jù)總線的變化來決定狀態(tài)機即將轉(zhuǎn)入的狀態(tài)。如果此時命令總線上是配置寄存器讀寫命令，判斷PCI-irdy信號是否有效來決定下一可能的狀態(tài)。如果信號無效，則狀態(tài)機轉(zhuǎn)入傳輸中止狀態(tài)，然后返回空閑狀態(tài)；如果信號有效，則狀態(tài)機轉(zhuǎn)入配置讀寫狀態(tài)。如果此時命令總線上是存儲器或者I/O的讀寫命令，則判斷PCI-frame信號是否有效來決定下一可能的狀態(tài)。如果信號無效，狀態(tài)機轉(zhuǎn)入傳輸中止狀態(tài)，然后返回空閑狀態(tài)；如果信號有效，狀態(tài)機轉(zhuǎn)入存儲器或I/O讀寫狀態(tài)。
1.2  UART模塊
　PCI總線傳輸?shù)氖遣⑿袛?shù)據(jù)，而串口傳輸?shù)氖谴袛?shù)據(jù)，要想實現(xiàn)PCI總線與串口的數(shù)據(jù)傳輸，必須通過UART完成數(shù)據(jù)的串并/并串轉(zhuǎn)換。本文設計的基于FPGA的UART由4個模塊組成：波特率發(fā)生器模塊、寄存器控制模塊、接收模塊以及發(fā)送模塊。UART的總體框圖如圖5所示。

1.2.1 波特率發(fā)生器模塊
　波特率發(fā)生器實際上就是一個分頻器，用來產(chǎn)生和串行通信所采用的波特率同步的時鐘，這樣才能按照串行通信的時序要求進行數(shù)據(jù)接收或發(fā)送[3]。本設計中UART收發(fā)的每一個數(shù)據(jù)寬度都是波特率發(fā)生器輸出時鐘周期的16倍,即假定當前按照9 600 b/s進行收發(fā),那么波特率發(fā)生器輸出的時鐘頻率應為9 600×16 Hz。
1.2.2 寄存器控制模塊
　設計的UART包括：2個數(shù)據(jù)緩沖寄存器(接收、發(fā)送緩沖寄存器)；2個狀態(tài)寄存器(中斷識別、線路狀態(tài)寄存器)；2個控制寄存器(中斷使能、線路控制寄存器)；2個移位寄存器(接收、發(fā)送移位寄存器)。寄存器控制模塊完成除了移位寄存器外的所有寄存器的讀寫控制。
1.2.3 接收模塊
　接收模塊包括接收緩沖寄存器和接收移位寄存器。在接收數(shù)據(jù)開始時，為了能夠準確地傳輸數(shù)據(jù)，先要清空接收緩沖寄存器和接收移位寄存器，然后接收移位寄存器等待檢測數(shù)據(jù)的起始位。檢測到有效的起始位后開始接收數(shù)據(jù)，同時啟動接收數(shù)據(jù)計數(shù)器，統(tǒng)計接收數(shù)據(jù)的位數(shù)，直到接收到滿足需求的數(shù)據(jù)位。如果需要奇偶校驗，則產(chǎn)生校驗位。最后接收停止位，完成1幀數(shù)據(jù)（起始位+數(shù)據(jù)位+奇偶校驗位+停止位）的接收，將數(shù)據(jù)存入接收緩沖寄存器，進行下一幀數(shù)據(jù)的接收，并通知上位機讀取數(shù)據(jù)。
　接收模塊通過狀態(tài)機來完成數(shù)據(jù)接收，其狀態(tài)機包含4個狀態(tài)：空閑狀態(tài)(idle)、移位狀態(tài)(shift)、奇偶校驗狀態(tài)(parity)和停止位狀態(tài)(stop),如圖6所示。其工作過程如下：當系統(tǒng)復位時，狀態(tài)機進入空閑狀態(tài)，等待接收開始位；當開始位被確定有效后,狀態(tài)機進入移位狀態(tài)。在移位狀態(tài)中，接收模塊為每個數(shù)據(jù)位的移入等待16個內(nèi)部時鐘周期,接收完特定的數(shù)據(jù)位后，若奇偶校驗使能有效，則跳轉(zhuǎn)到奇偶校驗狀態(tài)；否則，進入停止位狀態(tài)，而后進入空閑狀態(tài)，重復上述過程。

1.2.4 發(fā)送模塊
　發(fā)送模塊包括發(fā)送緩存寄存器和發(fā)送移位寄存器。在發(fā)送數(shù)據(jù)開始時，清空發(fā)送緩存寄存器和發(fā)送移位寄存器后，發(fā)送緩存寄存器接收發(fā)送來的數(shù)據(jù)，然后從發(fā)送緩存寄存器向發(fā)送移位寄存器發(fā)送數(shù)據(jù)。首先發(fā)送起始位到發(fā)送移位寄存器,同時啟動發(fā)送數(shù)據(jù)計數(shù)器,記錄發(fā)送數(shù)據(jù)的個數(shù)，直到發(fā)送移位寄存器接收到滿足需求的數(shù)據(jù)。若奇偶校驗使能有效,則跳轉(zhuǎn)到奇偶校驗狀態(tài)；否則，進入停止位狀態(tài)，完成1幀數(shù)據(jù)的發(fā)送。只要發(fā)送緩存寄存器不為空，則繼續(xù)傳輸下一幀數(shù)據(jù)。其狀態(tài)機的實現(xiàn)與接收模塊的類似。
2  系統(tǒng)軟件設計
2.1  驅(qū)動程序
　WinDriver是一套PCI驅(qū)動程序開發(fā)包。它改變了傳統(tǒng)驅(qū)動程序開發(fā)的方法與思路，極大地簡化了驅(qū)動程序的編制。同時，WinDriver又沒有犧牲驅(qū)動程序的性能，是一套高效、快捷的PCI驅(qū)動程序開發(fā)軟件包[4]。WinDriver可在VC／C++、Delphi、BC++、VB等多種開發(fā)環(huán)境中使用,本設計選用VC++作為驅(qū)動程序的開發(fā)環(huán)境，通過WinDriver生成VC++代碼，根據(jù)設計的需要修改生成的代碼以完成此PCI設備的驅(qū)動。驅(qū)動程序流程圖如圖7所示。

2.2  應用程序
　應用程序負責調(diào)用、連接驅(qū)動程序，實現(xiàn)與驅(qū)動程序的通信。連接到驅(qū)動程序后，向驅(qū)動程序注冊，同時啟動串口監(jiān)測工作線程，等待事件發(fā)生。當驅(qū)動程序接收到中斷后，通過發(fā)送消息通知應用程序，處理發(fā)生的事件。處理后退出應用程序，結(jié)束等待事件線程。應用程序流程圖如圖8所示。
　本文介紹了一種基于FPGA的PCI總線串口卡設計方法，簡單說明了其硬件的設計和驅(qū)動程序、應用程序的編寫方法。該設計符合通用的PCI規(guī)范，支持即插即用功能，傳輸速率高，抗干擾能力強?？梢詮V泛應用于各類測試設備、工廠自動化等，具有很高的實用價值。
參考文獻
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[2]     王友波,劉明業(yè).PCI總線接口控制器的FPGA設計[J].北京理工大學學報,2004,24(5): 423-426.
[3]     楊大柱.基于FPGA的UART電路設計與仿真[J]. 微計 算機信息, 2007,23(5-2):212-213.
[4]     劉映杰,張在峰,劉瑋,等.用WinDriver開發(fā)PCI設備驅(qū)動程序[J]. 信息技術(shù),2004, 28 (2):78-80.