數(shù)字拷貝機的FPGA設計

　　光盤拷貝機通常由一臺CD-ROM驅(qū)動器、數(shù)臺CD-R或CD-RW刻錄機和一個拷貝控制器組成?？截惪刂破魇紫葟腃D-ROM驅(qū)動器中讀出源盤數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)流分多路傳輸?shù)礁鱾€刻錄機，控制所有的刻錄機同步刻錄CD-R光盤。目前市場上的光盤拷貝機主要有聯(lián)機拷貝機、脫機拷貝機和自動拷貝機三種類型。

　　(1)聯(lián)機拷貝機

　　聯(lián)機光盤拷貝機由一臺通用PC機和一個裝有SCSI接口刻錄機的塔式機箱組成，塔箱與PC機之間用SCSI電纜相連。聯(lián)機拷貝機使用PC機作為光盤拷貝機控制器，并利用專門的CD-R拷貝軟件將刻錄數(shù)據(jù)通過SCSI母線傳輸給各個刻錄機。由于聯(lián)機拷貝機采用軟件進行數(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)生緩存器欠載運行(Buffer Underrun)錯誤，一般將SCSI接口上連接的刻錄機數(shù)量限制在4臺以內(nèi)。

　　(2)脫機拷貝機

　　脫機拷貝機是所有CD-R光盤拷貝機中使用最簡單的一種，也是使用最多的一種。脫機拷貝機使用專用的硬件控制器進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)生緩存器欠載運行錯誤，復制CD-R光盤的成功率高于聯(lián)機拷貝機。

　　(3)自動拷貝機

　　自動拷貝機是在脫機拷貝機的基礎上又增加了一套機械手裝置，用機械手自動將CD-R空盤放入刻錄機。完成拷貝后，機械手將已刻錄的CD-R光盤從刻錄機中取出，再放入新的CD-R空盤。有些自動拷貝機帶有光盤打印機，可直接在CD-R光盤背面打印用戶設計的盤標。

　　本設計應用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)存儲的脫機數(shù)字拷貝機。

　　1 數(shù)字拷貝機系統(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為存儲交換單元，CPLD為加密單元，按鈕和顯示屏為人機接口單元。

　　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現(xiàn)自檢、拷貝、設置等功能。將液晶顯示器的數(shù)據(jù)線與CPLD相連，充分應用CPLD在系統(tǒng)中的加密程序，其目的是對顯示器所顯示的數(shù)據(jù)加密，從而在實際生產(chǎn)中保護知識產(chǎn)權(quán)和名譽權(quán)；
(4)系統(tǒng)中CPLD器件的主要作用是對FPGA核加密。當系統(tǒng)啟動時，原先存儲在Flash中的FPGA核經(jīng)過CPLD的加密程序再加載到FPGA中，達到保護IP的目的；
(5)IP下載到FPGA后，在拷貝狀態(tài)時，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存儲器暫時存儲；輸出數(shù)據(jù)時，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，實現(xiàn)數(shù)據(jù)拷貝。

　　系統(tǒng)中DRAM的主要作用是擴展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

　　整個電路可劃分成二個功能模塊。

　　(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、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中存儲了很多與系統(tǒng)有重要關(guān)系的數(shù)據(jù)，相當于BIOS。其中有用于整個系統(tǒng)運行的主程序，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。當系統(tǒng)上電時，在CPU的控制下啟動整個系統(tǒng)，F(xiàn)lash將其中的IP核經(jīng)過CPLD加密，下載到FPGA中，為拷貝做好準備。同時，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行加密，防止他人盜用。