數(shù)字拷貝機(jī)的FPGA設(shè)計(jì)

　　光盤拷貝機(jī)通常由一臺(tái)CD-ROM驅(qū)動(dòng)器、數(shù)臺(tái)CD-R或CD-RW刻錄機(jī)和一個(gè)拷貝控制器組成?？截惪刂破魇紫葟腃D-ROM驅(qū)動(dòng)器中讀出源盤數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)流分多路傳輸?shù)礁鱾€(gè)刻錄機(jī)，控制所有的刻錄機(jī)同步刻錄CD-R光盤。目前市場上的光盤拷貝機(jī)主要有聯(lián)機(jī)拷貝機(jī)、脫機(jī)拷貝機(jī)和自動(dòng)拷貝機(jī)三種類型。

　　(1)聯(lián)機(jī)拷貝機(jī)

　　聯(lián)機(jī)光盤拷貝機(jī)由一臺(tái)通用PC機(jī)和一個(gè)裝有SCSI接口刻錄機(jī)的塔式機(jī)箱組成，塔箱與PC機(jī)之間用SCSI電纜相連。聯(lián)機(jī)拷貝機(jī)使用PC機(jī)作為光盤拷貝機(jī)控制器，并利用專門的CD-R拷貝軟件將刻錄數(shù)據(jù)通過SCSI母線傳輸給各個(gè)刻錄機(jī)。由于聯(lián)機(jī)拷貝機(jī)采用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分配和多路傳輸，所以數(shù)據(jù)傳輸速度較低。為了避免產(chǎn)生緩存器欠載運(yùn)行(Buffer Underrun)錯(cuò)誤，一般將SCSI接口上連接的刻錄機(jī)數(shù)量限制在4臺(tái)以內(nèi)。

　　(2)脫機(jī)拷貝機(jī)

　　脫機(jī)拷貝機(jī)是所有CD-R光盤拷貝機(jī)中使用最簡單的一種，也是使用最多的一種。脫機(jī)拷貝機(jī)使用專用的硬件控制器進(jìn)行源盤讀取和多路數(shù)據(jù)傳輸。因此數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群芸?，不易產(chǎn)生緩存器欠載運(yùn)行錯(cuò)誤，復(fù)制CD-R光盤的成功率高于聯(lián)機(jī)拷貝機(jī)。

　　(3)自動(dòng)拷貝機(jī)

　　自動(dòng)拷貝機(jī)是在脫機(jī)拷貝機(jī)的基礎(chǔ)上又增加了一套機(jī)械手裝置，用機(jī)械手自動(dòng)將CD-R空盤放入刻錄機(jī)。完成拷貝后，機(jī)械手將已刻錄的CD-R光盤從刻錄機(jī)中取出，再放入新的CD-R空盤。有些自動(dòng)拷貝機(jī)帶有光盤打印機(jī)，可直接在CD-R光盤背面打印用戶設(shè)計(jì)的盤標(biāo)。

　　本設(shè)計(jì)應(yīng)用Xilinx(R) SpartanTM-3 FPGA、CoolRunnerTM II CPLD和微處理器來開發(fā)ATA/IDE接口之間用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的脫機(jī)數(shù)字拷貝機(jī)。

　　1 數(shù)字拷貝機(jī)系統(tǒng)硬件部分

　　1.1 系統(tǒng)組成和工作原理

　　數(shù)字拷貝機(jī)系統(tǒng)由FPGA、CPLD、4MB Flash、4MBDRAM、256MB SDRAM、微型處理器和操控按鈕、液晶顯示屏、IDE/ATA接口等組成。數(shù)字拷貝機(jī)系統(tǒng)框圖如圖1所示。其中FPGA和MPU組成控制單元， Flash為BOOT單元，SDRAM和DRAM為存儲(chǔ)交換單元，CPLD為加密單元，按鈕和顯示屏為人機(jī)接口單元。

　　系統(tǒng)通過各模塊之間的相互協(xié)作，完成數(shù)據(jù)的高速傳輸、自動(dòng)拷貝功能。

(1)系統(tǒng)硬件連接好之后，系統(tǒng)上電（連接5V直流電源）；
(2)系統(tǒng)自檢，CPU調(diào)用BIOS中自檢程序檢查各端口的連接狀態(tài)，并反饋給顯示器告知用戶。調(diào)用初始化程序，加載FPGA核；
(3)液晶顯示屏顯示操作菜單，通過鍵盤操作可以方便地實(shí)現(xiàn)自檢、拷貝、設(shè)置等功能。將液晶顯示器的數(shù)據(jù)線與CPLD相連，充分應(yīng)用CPLD在系統(tǒng)中的加密程序，其目的是對(duì)顯示器所顯示的數(shù)據(jù)加密，從而在實(shí)際生產(chǎn)中保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)和名譽(yù)權(quán)；
(4)系統(tǒng)中CPLD器件的主要作用是對(duì)FPGA核加密。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，原先存儲(chǔ)在Flash中的FPGA核經(jīng)過CPLD的加密程序再加載到FPGA中，達(dá)到保護(hù)IP的目的；
(5)IP下載到FPGA后，在拷貝狀態(tài)時(shí)，I/O口向DMAC申請數(shù)據(jù)傳輸?shù)?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/DMA">DMA請求，DMAC經(jīng)CPU同意后獲得總線控制權(quán)，并通知I/O，準(zhǔn)備數(shù)據(jù)傳輸。DMAC將從I/O接收到的數(shù)據(jù)放到SDRAM存儲(chǔ)器暫時(shí)存儲(chǔ)；輸出數(shù)據(jù)時(shí)，DMAC從SDRAM中取出數(shù)據(jù)，放到DMAC的緩沖器，再發(fā)送到輸出I/O口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)拷貝。

　　系統(tǒng)中DRAM的主要作用是擴(kuò)展CPU內(nèi)存。例如液晶顯示和數(shù)據(jù)交換等過程中的一些數(shù)據(jù)和資料需要在這里調(diào)用和存放，以加快系統(tǒng)速度。

　　1.2 系統(tǒng)組成模塊分析

　　整個(gè)電路可劃分成二個(gè)功能模塊。

　　(1)非數(shù)據(jù)拷貝期的CPU控制模塊：用于系統(tǒng)上電后，數(shù)據(jù)拷貝之前的系統(tǒng)初始化、系統(tǒng)配置檢測、菜單顯示和操作以及數(shù)據(jù)拷貝后數(shù)據(jù)的校驗(yàn)、系統(tǒng)安全退出等。

　　(2)數(shù)據(jù)拷貝期的DMA數(shù)據(jù)傳輸模塊：用于數(shù)據(jù)拷貝期FPGA中內(nèi)構(gòu)的DMAC與CPU的通信、控制數(shù)據(jù)與內(nèi)存之間的傳輸及FPGA與外設(shè)IDE/ATA接口之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?/p>

　　1.2.1 非數(shù)據(jù)拷貝期的CPU控制模塊

　　非數(shù)據(jù)拷貝期的CPU控制模塊原理如圖2所示。

　　此功能模塊中的Flash是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，主要起B(yǎng)OOT UP的作用。4MB的Flash與CPU、FPGA、DRAM和CPLD均有聯(lián)系，而且Flash中存儲(chǔ)了很多與系統(tǒng)有重要關(guān)系的數(shù)據(jù)，相當(dāng)于BIOS。其中有用于整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的主程序，有用于數(shù)據(jù)DMA模式傳輸?shù)腇PGA核(IP)，還有一些令系統(tǒng)初始化的程序和自檢程序等。當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，在CPU的控制下啟動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)，F(xiàn)lash將其中的IP核經(jīng)過CPLD加密，下載到FPGA中，為拷貝做好準(zhǔn)備。同時(shí)，鍵盤的接口連接至CPU，由CPU控制按下按鍵后的操作；液晶顯示器的數(shù)據(jù)線與CPLD相連， CPLD將要顯示的某些信息作為密鑰進(jìn)行加密，防止他人盜用。