基于PCI局部總線的1553B總線接口卡設(shè)計(jì)

　　關(guān)鍵詞：PCI局部總線；1553B總線；總線接口卡；數(shù)據(jù)總線協(xié)議

　　在航電系統(tǒng)的研制初期，通常要先在地面以微型計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)做各種仿真實(shí)驗(yàn)。這使得用于各仿真系統(tǒng)的接口板的研制和革新工作便同時(shí)成為航電系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)。接口板的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)航電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線與PC機(jī)的數(shù)據(jù)總線之間的通信功能，這使PC機(jī)可以模擬航電系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線上所掛接的實(shí)際子系統(tǒng)。PCI（Peripheral Component Interconnect）總線，即外圍部件互連總線，是一種先進(jìn)的高性能32／64位地址數(shù)據(jù)復(fù)用局部總線，可同時(shí)支持多組外圍設(shè)備。PCI局部總線不受制于處理器，為中央處理器及調(diào)整外圍設(shè)備提供一座橋梁，更可作為總線之間的交通指揮員，提高數(shù)據(jù)吞吐量，具有支持線性突發(fā)傳輸、極小的存取延誤、采用總線主控和同步操作、兼容性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了一種基于PCI總線的接口板，其服務(wù)對(duì)象是MIL-STD-1553B總線，并編寫其在Windows下的驅(qū)動(dòng)程序。

　　1 1553B總線協(xié)議

　　MIL-STD-1553B是一個(gè)關(guān)于數(shù)據(jù)總線電器特性和協(xié)議規(guī)范的軍事標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了飛機(jī)內(nèi)部數(shù)字式的命令／響應(yīng)時(shí)分制多路數(shù)據(jù)總線的技術(shù)要求，也規(guī)定了多路數(shù)據(jù)總線的操作方式和總線上的信息流的格式以及電氣要求。其作用是提供一個(gè)在不同系統(tǒng)之間的傳輸數(shù)據(jù)和信息的媒介。

　　1553B數(shù)據(jù)總線以異步、命令／響應(yīng)方式執(zhí)行數(shù)據(jù)信息的傳輸，是一種計(jì)雙工通信方式，它有3種終端類型：總線控制器（BC）、遠(yuǎn)程終端（RT）和總線監(jiān)視器（BM）。BC是總線上惟一被安排為執(zhí)行建立和啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)的終端，BC控制數(shù)據(jù)總線上所有數(shù)據(jù)信息的傳輸，任何時(shí)候總線上只有一個(gè)BC。RT是用戶子系統(tǒng)到數(shù)據(jù)總線上的接口，它在BC的控制下提取數(shù)據(jù)或吸收數(shù)據(jù)。MT“監(jiān)控”總線上的信息傳輸，以完成對(duì)總線上的數(shù)據(jù)源進(jìn)行記錄和分析，但它本身不參與總線的通信。各終端之間信息傳輸方式有：BC到RT，RT到BC，RT到RT，廣播方式和系統(tǒng)控制方式。1553B數(shù)據(jù)總線上的信息流由消息組成，一個(gè)完整的消息包括命令字、數(shù)據(jù)字和狀態(tài)字3種類型。每個(gè)字的字長(zhǎng)為20 b，其前3位為同步字頭，有效信息位是16位，最后一位是奇偶校驗(yàn)位，采用奇校驗(yàn)，消息字采用曼徹斯特Ⅱ型碼調(diào)制信號(hào)，所有消息格式都是基于前面所述的3種字類型。

　　2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為2個(gè)部分：硬件電路的設(shè)計(jì)和軟件驅(qū)動(dòng)程序及應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。

　　2．1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)完整的硬件電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括1553B總線接口模塊、PCI總線接口模塊和邏輯控制模塊。系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)1553B總線和PCI總線之間的通信，因?yàn)樵?553B總線上傳輸?shù)氖请p極性差分信號(hào)，所以要對(duì)發(fā)送或接收的信號(hào)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換和相應(yīng)的調(diào)制解調(diào)，1553B總線接口模塊即用來完成數(shù)據(jù)的組織和編碼或解碼。PCI總線接口模塊完成接口卡與上位機(jī)的通信。雙端口RAM作為2個(gè)模塊的數(shù)據(jù)中繼，邏輯控制模塊則將這2個(gè)模塊連接成為一個(gè)系統(tǒng)。上位機(jī)通過PCI總線接口模塊將欲發(fā)送的數(shù)據(jù)存入雙端口RAM中，邏輯控制模塊根據(jù)通信協(xié)議將數(shù)據(jù)送到1553B總線接口模塊，1553B總線接口模塊將此數(shù)據(jù)進(jìn)行組織和編碼，發(fā)送到1553B主總線上；或1553B總線接口模塊從主總線上接收到數(shù)據(jù)，進(jìn)行解碼并存放在存儲(chǔ)器。然后通知上位機(jī)，上位機(jī)通過PCI總線接口模塊從存儲(chǔ)器中取出數(shù)據(jù)以及本次1553B總線操作的狀態(tài)信息。

　　2．1．1 1553B總線接口模塊設(shè)計(jì)

　　1553B總線接口模塊主要包括1553B協(xié)議芯片、隔離變壓器和時(shí)鐘晶振。1553B協(xié)議芯片采用DDC公司的BU-61580，芯片包含2個(gè)低功耗的雙端收發(fā)器、協(xié)議邏輯、存儲(chǔ)器管理邏輯、處理器接口邏輯及4K×16 b內(nèi)置共享靜態(tài)RAM以及直接面向主處理器的緩存接口組成，最多可擴(kuò)展64K×16 b的外部RAM。協(xié)議芯片通過短截線與1553B主總線相連。而在協(xié)議芯片與短截線之間需要設(shè)置隔離變壓器，該隔離變壓器將1553B主總線與接口卡直流隔離，防止接口卡上產(chǎn)生的噪聲影響1553B主總線上的信號(hào)。

　　BU-61580功能上集成了BC／RT／BM一體化設(shè)計(jì)，可以編程設(shè)置BU-61580的配置寄存器來設(shè)定系統(tǒng)的工作方式，例如本系統(tǒng)中，通過軟件編程BU-61580配置寄存器1的位15為邏輯“1”，位14為邏輯“0”，可使BU-61580工作于RT方式。內(nèi)存管理模式可選是BU-61580的RT的一大特點(diǎn)。為了下位機(jī)處理器可以方便的存取從給定地址接收有效的、完整的數(shù)據(jù)塊，保證為處理器提供最高程度的數(shù)據(jù)采樣一致連貫性，RT方式的內(nèi)存管理采用雙緩沖模式，該模式下可以有選擇地將接收的廣播消息分解為非廣播消息。具體實(shí)現(xiàn)方法是為每一個(gè)接收到的消息提供2個(gè)32位的數(shù)據(jù)字塊，一個(gè)為激活的，另一個(gè)為停止的。當(dāng)前命令結(jié)束后，BU-61580自動(dòng)切換該子地址的數(shù)據(jù)塊的激活區(qū)域與停止區(qū)域，這樣，當(dāng)向同一子地址發(fā)送命令時(shí)，如果數(shù)據(jù)有效并且雙緩沖區(qū)允許，數(shù)據(jù)會(huì)保存到另一個(gè)數(shù)據(jù)塊中，而不會(huì)使上一次的數(shù)據(jù)被覆蓋。

　　與下位機(jī)連接方面，BU-61580的接口配置采用16位緩沖模式，它向下位機(jī)提供了一個(gè)直接共享RAM接口。在該模式下，BU-61580的數(shù)據(jù)、地址總線與主機(jī)的總線地址隔離，并且BU-61580的尋址空間限制在其內(nèi)部RAM4K字的范圍內(nèi)。
2．1．2 邏輯控制模塊設(shè)計(jì)

　　PCI總線接口模塊與1553B總線接口模塊之間的邏輯控制電路通過可編程邏輯器件和DSP實(shí)現(xiàn)。可編程邏輯器件采用了Altera公司的EP1C 12B芯片，其主要實(shí)現(xiàn)地址譯碼、數(shù)據(jù)緩存、邏輯控制、握手連接和與BU-61580的協(xié)議轉(zhuǎn)換等功能。EP1C12B芯片內(nèi)部的RAM資源作為雙端口RAM和BU-61580之間的數(shù)據(jù)通道。下位機(jī)主控單元DSP控制器采用TI公司的TMS320F2812，用于控制EP1C12B完成1553B總線接口模塊對(duì)雙端口RAM的數(shù)據(jù)吞吐。上位機(jī)對(duì)1553B協(xié)議芯片進(jìn)行操作時(shí)，相應(yīng)的數(shù)據(jù)信號(hào)、地址信號(hào)和控制信號(hào)通過PCI總線發(fā)送到雙口RAM中。DSP控制FPGA從雙口RAM中取出該地址信號(hào)和控制信號(hào)進(jìn)行譯碼，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的地址信號(hào)以及控制信號(hào)送到BU-61580。如果操作是向1553B主總線發(fā)送數(shù)據(jù)，則同時(shí)將數(shù)據(jù)信號(hào)送到BU-61580的數(shù)據(jù)線。一次讀寫操作結(jié)束時(shí)，BU-61580將輸入FPGA的READY信號(hào)拉低，通知FPGA讀寫操作結(jié)束。如果有中斷產(chǎn)生，則在輸入FPGA的INT引腳上產(chǎn)生中斷波形（下降沿或低電平）。根據(jù)BU-61580輸入FPGA的中斷信號(hào)、握手信號(hào)或數(shù)據(jù)信號(hào)等，F(xiàn)PGA相應(yīng)產(chǎn)生上位機(jī)需要的中斷信號(hào)、握手信號(hào)、插入等待信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)等，送到PCI總線上。

　　2．1．3 PCI總線接口模塊

　　PCI總線接口模塊包括PCI協(xié)議芯片及其配置電路。PCI協(xié)議定義了嚴(yán)格的電氣特性和時(shí)序要求，其接口電路實(shí)現(xiàn)難度大，采用專用的PCI接口芯片，可以避開復(fù)雜的PCI協(xié)議的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，大大縮短開發(fā)周期。本系統(tǒng)選用的是PLX公司生產(chǎn)的PCI9052接口芯片作為PCI總線控制器，實(shí)現(xiàn)接口卡與PCI總線的橋接。

　　在進(jìn)行驅(qū)動(dòng)編寫前，需要根據(jù)功能需求對(duì)PCI9052芯片進(jìn)行相應(yīng)的配置操作。PCI9052芯片有2類寄存器：PCI配置寄存器和局部總線配置寄存器。PCI配置寄存器的內(nèi)容反映配置空間的情況，它的配置空間的內(nèi)容包括PCI設(shè)備號(hào)DID，制造商號(hào)VID、中斷號(hào)、設(shè)備類型號(hào)、局部空問基地址、局部空間描述符、片選響應(yīng)以及局部響應(yīng)控制CNTRL等信號(hào)，這些配置信息在芯片復(fù)位時(shí)通過串行E2PROM加載。PCI9052會(huì)自動(dòng)根據(jù)該E2PROM的狀態(tài)決定其內(nèi)部寄存器值。E2PROM中的配置信息的正確與否關(guān)系著整個(gè)板卡是否能夠正常工作。當(dāng)系統(tǒng)配置成功后，接口卡可被PC機(jī)識(shí)別，即可進(jìn)行驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)。

　　2．2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　2．2．1 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

　　設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序提供連接到計(jì)算機(jī)的硬件的軟件接口，所要完成的任務(wù)是鏈接應(yīng)用層和硬件層，使操作系統(tǒng)識(shí)別具體硬件，并使用硬件資源。微軟公司提供了專門的驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)工具包Windows XP DDK，但是DDK開發(fā)難度較大，周期長(zhǎng)，不容易掌