一種實(shí)用的VXI總線寄存器及接口電路的設(shè)計

VXI（VMEbus eXtention for Instrumentation）總線是一種完全開放的、適用于各儀器生產(chǎn)廠家的模塊化儀器背板總線規(guī)范。它具有高速數(shù)據(jù)傳輸、結(jié)構(gòu)緊湊、配置靈活、電磁兼容性好等優(yōu)點(diǎn)，已成為高性能測試系統(tǒng)集成的首選總線。VXI總線器件主要分為：寄存器基器件、消息基器件和存儲器基器件。目前寄存器基器件在應(yīng)用中所占比例最大（約70%），其實(shí)現(xiàn)方法在遵守VME協(xié)議的前提下，根據(jù)實(shí)際需要各有不同。VXI接口電路用于實(shí)現(xiàn)器件的地址尋址、總線仲裁、中斷仲裁和數(shù)據(jù)交換等。設(shè)計VXI接口首先需明確尋址空間和數(shù)據(jù)線寬度，VXI器件尋址有A16/A24、A16/A32和A16三種。A16/A24尋址支持16M字節(jié)空間，A16/A32尋址支持4G字節(jié)空間，A16尋址支持64字節(jié)地址空間，但不論哪種尋址方式，A16尋址能力是不可缺的。本文設(shè)計的VXI寄存器基接口電路是A16尋址的，支持D8和D16數(shù)據(jù)線傳輸，有較寬的使用范圍。

1 DTB及DTB仲裁

DTB（數(shù)據(jù)傳輸總線）及DTB仲裁是VXI接口的核心，DTB主要包括：尋址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。其主要任務(wù)是：①通過地址修改碼（AM）決定尋址空間和數(shù)據(jù)傳輸方式。②通過DS0*、DS1*、LWORD*、A1控制數(shù)據(jù)總線的寬度。③通過總線仲裁決定總線優(yōu)先使用權(quán)。

VXI總線器件在A16（16位地址）尋址時，有64字節(jié)的地址空間，其呈部分作為器件配置寄存器地址（已具體指定），其余可用作用戶電路端口地址。每個器件的寄存器基地址由器件本身唯一的邏輯地址來確定。地址修改線在DTB周期中允許主模塊將附加的器件工作模式信息傳遞給從模塊。地址修改碼（AM）共有64種，可分為三類：已定義修改碼、保留修改碼和用戶自定義碼。在已定義的地址修改碼中又分為三種：①短地址AM碼，使用A02～A15地址線；②標(biāo)準(zhǔn)地址AM碼，使用A02～A23地址線；③擴(kuò)展地址AM碼，使用A02～A31地址線。A16短地址尋址主要是用來尋址器件I/O端口，其地址修改碼為：29H、2DH。

圖2為VXI器件尋址電路圖，其中U1為可編程邏輯器件，其表達(dá)式為：VXIENA*=AS*+！IACK*A14+！A15+！AM5+AM4+！AM3+AM1+！AM0；（！IACK*表示系統(tǒng)無中斷請求）。尋址過程為：當(dāng)VXI主模塊發(fā)出的地址修改碼對應(yīng)為29或2D、總線上地址A6～A13和邏輯地址設(shè)置開關(guān)K1的設(shè)置相同并且地址允許線AS有效時，圖2中的MYVXIENA*有效（為低），表示本器件允許被VXI系統(tǒng)尋址。在允許本器件尋址的基礎(chǔ)上（即MYVXIENA*有效），再通過MYVXIENA*、A1～A5、LWORD*、DS0*、DS1*譯碼生成64字節(jié)地址，根據(jù)VME總線協(xié)議可譯出單字節(jié)地址和雙字節(jié)地址。協(xié)議協(xié)定：當(dāng)單字節(jié)讀寫時，奇地址DS0*為低、DS1*為高，偶地址DS1*為低、DS0*為高，LWORD*為高；雙字節(jié)讀寫時，DS0*和DS1*為低、LWODR*為高；四字節(jié)讀寫時，DS0*、DS1*和LWORD*都為低。

DTB數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)答主要依賴DTACK*和DS0*之間的互鎖性握手關(guān)系，而與數(shù)據(jù)線上有效數(shù)據(jù)什么時候出現(xiàn)無關(guān)，所以單次讀寫操作的速度完全決定應(yīng)答過程。為適應(yīng)不同速度用戶端口讀寫數(shù)據(jù)的可靠性，本文采用由用戶端口數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好線（DATREADY*）去同步DTACK*答應(yīng)速度的方法來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行?。該方法的?yōu)點(diǎn)是電路簡單、使用方便，缺點(diǎn)是占用DTB時間長，影響VXI系統(tǒng)性能，且最長延時時間不得超過20μs。通常情況下用戶可通過數(shù)據(jù)暫存的方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可靠傳輸，并使用戶端口數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好線（DATREADY*）接地。由于寄存器基器件在VXI系統(tǒng)中只能作為從模塊使用，所以其總線請求只有該器件發(fā)生中斷請求時才由中斷管理模塊提出。

2 中斷請求及仲裁電路

VXI系統(tǒng)設(shè)有七級中斷，優(yōu)先中斷部遲疑不決包括：①中斷請求線IRQ1*～I(xiàn)RQ7*；②中斷應(yīng)答線IACK*；③中斷應(yīng)答輸入線IACKIN*；④中斷應(yīng)答輸出線IACKOUT*。從系統(tǒng)的角度看，在VXI系統(tǒng)中有一個成菊花鏈的中斷查詢系統(tǒng)。當(dāng)VXI系統(tǒng)中有中斷請求時，中怕管理器使中斷應(yīng)答信號IACK*有效（置低），并送往菊花鏈驅(qū)動器，菊花鏈驅(qū)動器使輸出IACKOUT*有效，送至相鄰的下一個器件。如果相鄰器件沒有中斷請求，則該器件的IACKOUT*輸出仍為低，繼續(xù)向下一個相鄰器件傳送；當(dāng)此器件有中斷請求時，所以其輸出IACKOUT*為高，進(jìn)入中斷過程，并屏蔽后級器件的中斷應(yīng)答

為實(shí)現(xiàn)中斷請求和中斷仲裁，每個器件的中斷仲裁電路應(yīng)完成的功能為：①產(chǎn)生中斷請求；②上傳狀態(tài)/識別碼；③屏蔽后級中斷應(yīng)答。本文設(shè)計的中斷仲裁電路如圖3所示。其中TX1～TX3來自中斷號選擇跳線器，INNER-IRQ為器件內(nèi)部用戶電路中斷請求信號，上升沿有效。中斷請求過程分如下四步：（1）在系統(tǒng)復(fù)位或中斷復(fù)位（來自控制寄存器）后，IRQOPEN*為“1”使比較電路輸出“1”，使中斷應(yīng)答菊花鏈暢通，且譯碼電路不工作。（2）當(dāng)本器件內(nèi)有中斷請求時，使IRQOPEN*為“0”，則譯碼電路根據(jù)中斷置位開關(guān)的設(shè)置輸出相應(yīng)中斷請求信號IRQx *。當(dāng)中斷管理器接收中斷請求信號后使IACK*有效，并送往中斷菊花鏈驅(qū)動器使之輸出IACKOUT*有效，同時中斷管理器請求DTB總線使用權(quán)。（3）當(dāng)中斷管理器獲得DTB使用權(quán)后，根據(jù)接收到的中斷請求信號，在地址允許線AS+作用下在地址線上輸出相應(yīng)的A1～A3地址，使比較器輸出“0”，從而使IACKOUT*變高，屏蔽后續(xù)中斷，并清除本器件內(nèi)部中斷請求。（4）中斷管理器使數(shù)據(jù)允許信號DS0*為低，讀出器件狀態(tài)/識別碼，響應(yīng)中斷，同時在DS0*的上升沿清除中斷請求（使IRQOPEN*為“1”），接通中斷應(yīng)答菊花鏈，進(jìn)入中斷過程。

3 可編程器件實(shí)現(xiàn)和調(diào)試

為了克服用中小規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)VXI接口電路存在的體積大、可靠性差和可調(diào)試性差等不足，可采用可編程器件實(shí)現(xiàn)接口電路。本文采用的器件是ALTERA公司的MAX系列，采用的器件可編程軟件平臺的MAX+plusII。MAX+plus II在編程上提供了多種電路描述形式，主要有圖形描述、AHDL描述和VHDL描述等。本文采用圖形描述和AHDL描述相結(jié)合的描述方法。接口電路的主框架結(jié)構(gòu)和能夠用標(biāo)準(zhǔn)元件表述的子模塊電路用圖形描述方法設(shè)計，部分功能子模塊用AHDL語言描述。這種設(shè)計方式的電路原理結(jié)構(gòu)直觀、功能描述簡潔。VXI接口電路硬件描述子程序模塊由地址修改碼器件尋址、端口地址譯碼、中斷請求及控制、寄存器配置四部分組成。

在VXI器件中，寄存器配置步驟是必不可少的，VXI寄存器基器件主要配置寄存器有：識別/邏輯地址寄存器、器件類型寄存、狀態(tài)/控制寄存器。在接口電路的性質(zhì)特性明確的前提下，寄存器基器件的配置是確定的，所以直接在可編程器件中實(shí)現(xiàn)，且更改也很方便。以下列出的是VXI寄存器基接口電路的主要邏輯表達(dá)式（用AHDL語言格式）：

VXIENA=AS#！IACK#！A14#！A15#！AM5#AM4#！AM3#AM1#！AM0；

MYVXIENA=VXIENA#（A6$Q0）#（A7$Q1）#(A8$Q2)#(A9$Q3)#(A10$Q4)#(A11$Q5)#(A12$Q6)#(A13$Q7);

ACKED=(TX1$A1)#(TX2$A2)#(TX3$A3)#IACK#!SYSRST#!IRQPEND#AS#IACKIN;

DTACKNODE=!(DS0DS1#MYVXIENAACKED);

DRACK=DFF(DTAKNODE,SYSCLK,VCC,VCC);

IOENA=MYVXIENA#DS0DS0DS1#!LWORD;

IACKOUT=AS#IACKIN#!ACK;

需要注意的是，在使用中由于部分信號線與VXI背板總線連接時需要采用集電極開路方式接入，如DTACK*、SYSFAIL*、BRx*等，所以應(yīng)增加一級集電極開路門電路后再與VXI背板總線連接。

接口電路調(diào)試有兩種方式，一是利用LabWindow/VCI開發(fā)工具預(yù)先編好一個帶操作軟面板的調(diào)試程序，它包含有各項功能調(diào)試控件和相關(guān)信息顯示窗。在調(diào)試電路時只需根據(jù)提示在軟面板上操作，就可及時得到信息顯示。這種調(diào)試電路方法方便、直觀，但由于調(diào)試程序的封裝會使得調(diào)試細(xì)節(jié)不透明。另一種形式是在NI公司提供的VXI資源管理器中對端口電路進(jìn)行操作、調(diào)試。這種方法是硬件開發(fā)人員主要采用的形式。主要過程為：先打開TM Explore對VXI系統(tǒng)初始化；啟動VXI系統(tǒng)初始化；啟動VXI InterActive Control面板，在Bus Access中通過修改偏移地址（Offset）、輸出值（Value）和觀察輸入值來對接口電路進(jìn)行調(diào)試。在調(diào)試過程中，為便于數(shù)據(jù)或波形的穩(wěn)定測試、觀察，一般將輸出數(shù)據(jù)的循環(huán)次數(shù)（count）設(shè)成一個較大數(shù)。這種調(diào)試方式雖然不很直觀，但卻非常靈活，容易發(fā)現(xiàn)硬件電路細(xì)節(jié)不足。

在VXI接口電路設(shè)計方面，只要遵循VXI總線協(xié)議，其具體實(shí)現(xiàn)方法多種多樣。本文從VXI總線協(xié)議出發(fā)詳細(xì)闡述了一種VXI寄存器基接口電路的設(shè)計方法和工作原理，并介紹了可編程器件實(shí)現(xiàn)方法和調(diào)試方法。用可編程電路使VXI接口電路模塊化、格式化，可縮短VXI總線器件的研制周期、縮小器件體積，提高器件的可靠性。該接口電路已在VXI數(shù)字I/O、VXI特征分析儀中使用。隨著儀器儀表技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)的 發(fā)展，VXI總線作為高性能測試系統(tǒng)儀器的背板總線，將在航空航天、雷達(dá)、通訊等領(lǐng)域的測試中占據(jù)越來越重要的地位，開發(fā)高性能VXI總線器件是目前較熱門的研究方向。