FlexRay總線控制器和TC1796的MLI接口設(shè)計(jì)

引言

FlexRay總線是一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)形式的具有星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)傳輸總線。提供了傳統(tǒng)總線通信協(xié)議所不具有的一些特性。FlexRay簡(jiǎn)化了車載電子設(shè)備之間的通信系統(tǒng)架構(gòu)，使得車載電子單元變得更加穩(wěn)定和可靠。FlexRay總線具有故障容限，可提供500 kbps～10 Mbps的確定數(shù)據(jù)傳輸速率和24位CRC（循環(huán)冗余）校驗(yàn)碼。

FlexRay總線支持2×10 Mbps的數(shù)據(jù)速率，與CAN總線協(xié)議相比，可用的帶寬提高了10～40倍。總線速率的提高使電子設(shè)備可以快速?gòu)目偩€獲取信息，也可以快速將自身信息傳送到總線上的其他設(shè)備。微處理器和FlexRay總線控制器的數(shù)據(jù)通信一般采用串行方式、并行方式以及其他方式。并行接口方式是早期采用的高速數(shù)據(jù)傳輸方式，但以更高速率傳輸時(shí)則存在多種問(wèn)題。由于數(shù)據(jù)和地址總線較多，使得接口復(fù)雜，PCB布線難度增大，在高速時(shí)鐘下每根數(shù)據(jù)線和地址線都要求盡量等長(zhǎng)，否則可能產(chǎn)生數(shù)據(jù)和地址傳輸時(shí)相應(yīng)位的紊亂，無(wú)法正確傳輸數(shù)據(jù)。串行方式硬件連接方便，內(nèi)部最少只需數(shù)據(jù)收和數(shù)據(jù)發(fā)2根線，但傳輸速率較慢。

本文介紹一種微連接口MLI（MicroLink Interface）實(shí)現(xiàn)總線傳輸，使用FlexRay總線控制器CIC310及處理器TC1796。CIC310采集總線上各個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信數(shù)據(jù)，并對(duì)總線負(fù)載和總線容量進(jìn)行檢測(cè)和控制。TC1796將各個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，他們之間采用微連接口MLI，實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，最快數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到37.5 Mbps，完全滿足2×10 Mbps的總線數(shù)據(jù)速率。

1 FlexRay控制器CIC310

CIC310是英飛凌公司最近推出的FlexRay總線控制器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖中可以看出，CIC310總線控制器主要由ERay模塊、DMA模塊、時(shí)鐘管理模塊、中斷模塊、內(nèi)存和數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)接口模塊等組成。

圖1 CIC310內(nèi)部功能框圖

CIC310有3種接口方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)教幚砥?，這3種方式分別為SSC（Synchronous Serial Channel，串行接口）方式、XMU（De?multiplexer 8/16 bit Parallel Interface，非復(fù)用的8/16位并行接口）方式和MLI方式。其中SSC為一般的串口連接方式，具有連接簡(jiǎn)單和連接線少的特點(diǎn)，但數(shù)據(jù)傳輸速率較低；XMU接口為并口連接方式，數(shù)據(jù)傳輸速度比串口方式快很多，但連接線較多；MLI接口為專用接口方式，一般可以和專用車載控制器連接。英飛凌的 TC1796具有和CIC310連接的MLI接口。

CIC310和總線接口有2個(gè)獨(dú)立的收發(fā)通道，每個(gè)通道的數(shù)據(jù)傳輸速度可達(dá)10 Mbps，片內(nèi)ERay模塊主要負(fù)責(zé)總線數(shù)據(jù)的收發(fā)、總線和DMA模塊的數(shù)據(jù)交互、向外設(shè)產(chǎn)生各種中斷以及實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫時(shí)鐘的管理等。E?Ray模塊一般經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)濾波器，將一些廣播幀和總線上其他用戶的數(shù)據(jù)幀濾除后，將本用戶的數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)紺IC310片內(nèi)的DMA模塊。DMA模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)校驗(yàn)，可以采用事先設(shè)定的數(shù)據(jù)系數(shù)進(jìn)行處理。

2 微處理器TC1796

TC1796是基于英飛凌公司TriCore處理器架構(gòu)的32位微控制器，在一塊芯片中集成了微控制器、微處理器和數(shù)字信號(hào)處理器。具有2 MB的嵌入式Flash和多種創(chuàng)新的片上外設(shè)，如毫秒總線、快速模數(shù)轉(zhuǎn)換器、微連接口以及新穎的高性能三總線結(jié)構(gòu)，提升了系統(tǒng)總體性能，同時(shí)降低了系統(tǒng)成本。其主要特點(diǎn)有：

◆ 具有4級(jí)流水及并行架構(gòu)的高性能32位CPU，完全集成DSP處理能力，具有單精度浮點(diǎn)運(yùn)算單元，工作頻率達(dá)150 MHz；
◆ 具有32位外設(shè)控制處理器，2 MB嵌入式程序Flash、128 KB數(shù)據(jù)Flash、16 KB仿真EEPROM、192 KB片上SRAM；
◆ 具有16通道DMA控制器，支持同步burst Flash訪問(wèn)的32位外部總線接口單元，支持2×255個(gè)硬件中斷源；
◆ 具有2個(gè)毫秒總線接口、2個(gè)通用定時(shí)器陣列模塊、2個(gè)異步/同步串行通道、2個(gè)高速同步串行通道、2個(gè)高速微連接口、4個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)、4通道快速模數(shù)轉(zhuǎn)換器、2個(gè)具有8/10/12位精度的16通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

圖2 TC1796內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

TC1796的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。內(nèi)部主要由PMU（Program Memory Unit，程序存儲(chǔ)單元）、DMU（Data Memory Unit，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元）、FPU（Floating Point Unit，浮點(diǎn)單元）、PMI（Program Memory Interface，程序存儲(chǔ)接口）、DMI（Data Memory Interface，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)接口）、PCP（Peripheral Control Processor，片內(nèi)外設(shè)控制處理器）、STM（System Timer，系統(tǒng)定時(shí)陣列）和PLL（Phase Locked Loop，鎖相環(huán)）等組成。外部接口包括ADC、FADC（快速ADC）、串口、JTAG（仿真口）、GPIO（通用I/O口）、ASC（異步串口）、 CAN、MSC（Micro Second Channel，毫秒口）、MLI口等。
3 MLI接口

MLI接口是一種快速同步串行接口，可以在CPU不參與的情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。圖3是MLI接口的典型連接框圖。

圖3 MLI連接框圖

圖3中，具有MLI接口的處理器稱為本地控制器，另一個(gè)則為遠(yuǎn)程控制器。雙方都具有發(fā)送器和接收器。發(fā)送器和接收器之間進(jìn)行物理連接。本地控制器初始化數(shù)據(jù)和交互參數(shù)，并負(fù)責(zé)控制所有的數(shù)據(jù)收發(fā)任務(wù)。每一次數(shù)據(jù)收發(fā)都必須由本地控制器發(fā)起，遠(yuǎn)程控制器只是被動(dòng)地響應(yīng)本地控制器的命令，讀取或者發(fā)送數(shù)據(jù)。如果有3個(gè)以上的MLI接口進(jìn)行連接，則只能有1個(gè)本地控制器，其他均設(shè)置成遠(yuǎn)程控制器。本地控制器具有1個(gè)發(fā)送窗口，所有的發(fā)送數(shù)據(jù)均通過(guò)發(fā)送窗口寫入發(fā)送器并發(fā)送出去。本地控制器接收到數(shù)據(jù)后通過(guò)中斷方式通知CPU或者DMA進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)程控制器具有1個(gè)遠(yuǎn)程窗口，沒(méi)有發(fā)送窗口；但遠(yuǎn)程控制器不能控制遠(yuǎn)程窗口，遠(yuǎn)程窗口和發(fā)送窗口一樣，都是由本地控制器操作。實(shí)際上，遠(yuǎn)程控制器相當(dāng)于一個(gè)完全被動(dòng)的設(shè)備。遠(yuǎn)程控制器收到數(shù)據(jù)將自動(dòng)或者手動(dòng)放到遠(yuǎn)程窗口中，由遠(yuǎn)程控制器的CPU或者DMA從相應(yīng)地址讀取。當(dāng)遠(yuǎn)程控制器的CPU或者DMA需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，本地控制器控制遠(yuǎn)程窗口讀取相應(yīng)地址的數(shù)據(jù)，并從發(fā)送器發(fā)送到本地控制器的接收器。

4 TC1796和CIC310的MLI接口連接

TC1796最多可以和4個(gè)CIC310的MLI接口連接，這樣1個(gè)處理器就可以連接4個(gè)總線控制器，從而控制8個(gè)總線節(jié)點(diǎn)并進(jìn)行數(shù)據(jù)通信（每個(gè)CIC310控制2個(gè)總線節(jié)點(diǎn)），節(jié)省處理器成本。圖4為TC1796和2個(gè)CIC310的MLI接口連接。TC1796必須作為本地控制器，2個(gè) CIC310均為遠(yuǎn)程控制器。

圖4 TC1796與2片CIC310連接

TC1796向CIC310發(fā)送數(shù)據(jù)的連接說(shuō)明如下：MLI的接收器具有4個(gè)引腳，分別為RREADYA（接收數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好標(biāo)志）、 RVALIDA（接收數(shù)據(jù)有效標(biāo)志）、RDATAA（接收數(shù)據(jù)）、RCLKA（接收時(shí)鐘）；對(duì)應(yīng)的發(fā)送器也具有TREADYA（發(fā)送數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好標(biāo)志）、 TVALIDA（發(fā)送數(shù)據(jù)有效標(biāo)志）、TDATAA（發(fā)送數(shù)據(jù)）、TCLK（發(fā)送時(shí)鐘）。其中TDATA和TCLK引腳由TC1796輸出，連接到每個(gè) CIC310的RDATAA和RCLKA引腳，這樣每個(gè)CIC310都采用同一個(gè)時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號(hào)。TC1796的4個(gè)MLI接口具有4個(gè)發(fā)送數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好標(biāo)志和發(fā)送數(shù)據(jù)有效標(biāo)志，分別為TREADYA～TREADYD、TVALIDA～TVALIDD。將每個(gè)MLI的一對(duì)這樣的引腳連接到1個(gè)CIC310 上，就完成對(duì)不同CIC310的選擇，從而區(qū)分出對(duì)哪個(gè)CIC310發(fā)送數(shù)據(jù)。從硬件連接可以看出，TC1796雖然可以和多個(gè)CIC310連接，但同時(shí)只能對(duì)1個(gè)CIC310發(fā)送數(shù)據(jù)。

TC1796接收CIC310的數(shù)據(jù)連接說(shuō)明如下：TC1796的MLI接收器每個(gè)接口都具有獨(dú)立的4個(gè)引腳，RREADYA～RREADYD、RVALIDA～RVALIDD、RDATAA～RDATAD、RCLKA～RCLKAD，這樣每個(gè)接口正好和 CIC310的發(fā)送器的4個(gè)引腳連接，可以同時(shí)接收4個(gè)CIC310的數(shù)據(jù)。在TC1796內(nèi)部，將每個(gè)CIC310連接到不同的DMA中斷上，使用 DMA進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。

TC1796與多個(gè)CIC310進(jìn)行連接，采用下行單向通信（TC1796向CIC310發(fā)送數(shù)據(jù)）、上行并行通信（CIC310向 TC1796發(fā)送數(shù)據(jù)）的目的是減少總線負(fù)載。當(dāng)總線節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)向處理器發(fā)送時(shí)，處理器總是及時(shí)讀取數(shù)據(jù)，避免總線重發(fā)數(shù)據(jù)，同時(shí)避免CIC310無(wú)法存儲(chǔ)突發(fā)的大量數(shù)據(jù)幀。當(dāng)處理器需要向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，即使處理器需要同時(shí)向多個(gè)總線節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，依然采用單個(gè)節(jié)點(diǎn)輪流發(fā)送數(shù)據(jù)的方式，避免處理器同時(shí)將大量數(shù)據(jù)發(fā)送到總線，增加總線負(fù)載。一旦總線負(fù)載增加，數(shù)據(jù)傳輸誤碼率將大大增加，使得總線惡化。