基于Nios II系統的1553B總線網絡存儲器設計(圖)

本文設計了1553B總線上的網絡存儲器。整個系統基于NIOS II內核設計，利用SoPC技術將接口部分的邏輯控制全部集成于FPGA片內，系統的存儲量、結點數量均可擴展。

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

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是基于哈佛結構的RISC通用嵌入式處理器軟核，能與用戶邏輯相結合，編程至Altera的FPGA中。處理器具有32位指令集，32位數據通道和可配置的指令以及數據緩沖。它特別為可編程邏輯進行了優(yōu)化設計，也為可編程單芯片系統（SoPC）設計了一套綜合解決方案。

圖1 系統硬件結構框圖

系統總體方案
本系統的主要功能為接收1553B網絡發(fā)來的命令、數據，管理后級存儲器，提供一個訪問存儲器的網絡接口。系統的存儲器接口作為1553B總線中的從結點，平時處于待機狀態(tài)，當總線上有讀寫命令發(fā)來時，總線轉換接口根據命令從后級存儲器讀取數據或向其寫入數據。對于總線協議，最方便的是使用現成的協議芯片，但這樣做的成本非常高，1553B協議芯片的單片價格在6000元以上，這對于普通應用來說是一個不小的負擔，如果能使用FPGA進行協議管理，將使成本大大降低，另外，Quartus內包含有很多存儲器管理的IP核可供使用，對于1553B的協議則需要自行定制組件。

系統程序為兩部分，一部分為接受網絡命令及數據，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。

系統硬件設計
系統的硬件模塊框圖見圖1所示。

系統的核心芯片采用Altera公司的CYCLONE III系列FPGA EP3C25F324。它采用了65nm低功耗工藝技術進行生產，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內部移植Nios II內核，所需組件如下。
● CPU：選用標準型CPU核，Debugger為Level 1，在滿足需求的情況下盡量節(jié)約片內資源的使用。
● System_ID：下載時系統認證時使用。
● Jtag_uart：FPGA與PC的通信接口，NIOS IDE軟件中使用會很方便。
● onchip_memory：片內存儲器，中轉數據時使用。
● FLASH：Quartus軟件內部集成

圖2 1553B總線的三種幀結構

有Intel公司生產的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的數據是三態(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軟件內部未集成有該組件，需要自行開發(fā)。
在1553B的網絡上，本系統是作為從結點設計的。在系統內部，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軟件內部均有集成，所以，系統軟件設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公司生產的128P308的FLASH芯片，符合通用接口標準，便于后續(xù)功能容量的更新升級。

圖3 FPGA內部工作流程

系統軟件設計
定制1553B組件的核心任務就是將1553B的總線信號轉換到NIOS II內部的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。產生這些信號就需要從1553B總線上讀取的幀信號來實現。1553B總線上共有三種幀，命令幀、狀態(tài)幀和數據幀。這三種幀的結構如圖2所示。

對于這三種幀，命令幀、數據幀和狀態(tài)幀可以使用同一個緩存，因為作為存儲的從結點不會主動向主結點發(fā)送數據，整個工作都是被動接收主結點的命令，等待主結點讀取或寫入數據，系統只有單一的狀態(tài)，不會出現沖突。

對于Avalon總線中的信號，對應于幀內信號關系如下。
● read/write信號：命令幀內的發(fā)送/接收位。
● address信號：命令幀內的子地址以及數據長度位。
● data信號：數據幀內的數據位。
● irq信號：狀態(tài)幀內的標志位引起。
● irqnumber信號：狀態(tài)幀內的具體位置。
1553B組件的API函數包括有：
● 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內核中。

FPGA內部的工作流程如圖3所示。

系統平時處于待機狀態(tài)，當命令幀到來時會引起中斷，中斷子程即通過altera_avalon_1553B_getframe()解讀命令幀的內容，確定是讀取還是寫入，讀取或寫入數據的長度，數據的特征作為下次讀取的標志，確實無誤后，開始讀取或寫入。

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