一種基于FPGA的PXA270外設時序轉換接口設計

1 引言

ARCNET協議應用于高速動車組列車通信網絡時，產生中央控制單元處理器PXA270與專用協議控制器件COM20020相連的時序不匹配問題，若用通用數字電路模塊進行時序轉換，PXA270需占用PXA270專門的資源(CPU時間片)對 COM20020的寄存器、數據包緩沖區進行低速讀寫訪問(對COM20020的相鄰兩次讀操作相隔至少300 ns)，這樣將增加處理器的負擔?；谶@種現狀，提出一種基于FPGA的PXA270外設時序轉換接口設計方案，以FPGA為橋梁進行時序轉換，并增加存儲器直接訪問DMA(Direct Memory Aeeess)功能，即FPGA自動完成數據包的收發工作，PXA270則只需高速讀寫訪問FPGA中的同步雙口RAM。
2 時序轉換接口整體設計

2．1 FPGA對外接白

采用FPGA連接PXA270處理器與外設以解決PXA270處理器與外設直接連接時的時序不匹配問題。如圖1所示，FPGA從PXA270處理器獲得地址總線(ADDRBUS[17..14]， ADDRBUS[9..0])，片選信號(SYSCS5)，讀允許(SYSOE)，寫允許(SYSWE)，并提供雙向數據端口DATABUS[7..0] (可根據實際應用修改為32位或16位等)，中斷(interrupt)；同時，FPGA向COM20020提供特定的總線接口，包括 COM20020_DS，COM20020_CS，COM20020_DIR，COM20020_DATABUS [7..0]，COM20020_ADDRBUS[2..0]等。

2．2 內部功能實現

PXA270和外設之間的連接是將FPGA中的雙口RAM作為數據中轉站，以此間接相連。該設計由以下4個功能模塊組成。
(1)PXA270對外設指定寄存器單次寫操作PXA270先將所要寫的數據送人雙口RAM，然后PXA270向FPGA的命令寄存器寫入對該外設指定寄存器的單次寫指令，然后FP-GA根據接收到的命令將RAM中的數據輸出到外設數據總線，同時給出對外設的寫時序。
(2)PXA270對外設指定寄存器單次讀操作PXA270先向FPGA的命令寄存器寫入對該外設指定寄存器的單次讀指令，此時，FPGA給出對外設的讀時序，并驅動RAM的地址總線、寫時鐘等信號，將外設數據總線上的數據傳送到RAM中。再延時1μs，PXA270從RAM中讀出數據。
(3)PXA270對外設批數據寫操作與單次寫操作不同的是，PXA270需先將所要寫入的數據存儲到RAM的連續空間，然后向FPGA的命令寄存器寫入批數據寫操作指令，FP-GA根據接收到的命令將RAM中的數據分次送至外設數據總線，且需保證向COM20020的寫時序與之同步。
(4)PXA270對外設批數據讀操作 由FPGA給出對外設的連續多次讀時序將外設中的數據送人RAM，完成存儲工作。PXA270等待批數據讀完成中斷發生后對RAM進行連續讀。

3 功能模塊設計
3．1 時序發生模塊設計

COM20020有80xx-like和68xx-like兩種總線訪問方式。這里中實現68xx-like訪問方式，圖2為其讀寫訪問時序。
讀寫時序的共同要求為：片選信號CS必須先于DS至少5 ns，并且只允許在DS無效之后CS才能恢復為高電平；讀寫方向信號DIR應在DS有效前至少10 ns建立；DS高電平寬度不小于20 ns。兩者的不同要求：寫時序的地址總線先于操作脈沖DS至少15 ns建立，DS低電平不小于20 ns，數據總線有效數據必須在DS變高之前至少30 ns建立，保持至DS變高后至少10 ns；而讀時序的地址總線先于片選信號至少15 ns建立，DS低電平不小于60 ns，DS變低到數據總線數據有效的間隔最大為40 ns，DS變高到數據總線高阻抗的間隔最大為20 ns，這是COM20020作為數據輸出方給訪問設備提供的特性。針對以上讀寫時序的要求，具體設計如下：DIR在一次操作中只有高或低電平一種可能，通過命令寄存器在操作前事先給出，而后給出使能信號，DS在CS有效之后變低，而在CS無效之前變高，以便數據可靠鎖存。

圖3為COM20020的時序原理圖，從時序分析可得出如下設計方案：DIR用于指示操作是讀還是寫，DIR=‘1’為讀，否則為寫。在操作前先對DIR 賦值；在EN有效時選擇CS，CLK的下一次上升沿變為有效。這樣是給寫操作對COM20020數據總線準備數據之用，不影響讀操作；DS選擇在CS有效的下一個CLK上升沿變為有效，但在CS無效前兩個時鐘周期給出上升沿，以滿足“片選信號CS必須先于DS至少5 ns，并且只能在DS無效之后恢復為高電平”，并且DS中間應有至少60ns的時鐘寬度，因而保持3個CLK周期有效。圖4為CommandGenerator時序仿真圖。采用計數器進行時序同步。以下給出VHDL源代碼。

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圖5為批數據從WRRAM向外設傳送的連續時鐘產生和自動地址生成原理圖。其中，lpm_counter0為帶有異步清零和進位信號的增計數； AutoAccessDataNumsOnce在EN='1'時，產生一次批傳送時鐘，根據COM20020的長短數據包傳送要求，在CCESSTYPE =‘1’時傳送長數據包(512 B)，否則傳送短數據包(256 B)。FRE信號同時提供WRRAM的rdclock和lpm_counter0的clock信號。

??? 圖6為一次批數據向RAM中寫，而后啟動DMA傳輸，將數據從RAM送至COM20020的時序仿真。在WRCLOCK上升沿時，RAM將datain總線上的數據存儲到WR_AD-DRESS所指向的字節地址空間，WRCLOCK信號是由PXA270的WE信號與分配給RAM的片選信號(高電平有效)相與而得。對RAM進行模擬寫時必須確保AUTOWREN無效(低電平)；在檢驗數據DMA傳輸的RAM輸出環節，WRCLOCK應不再出現上升沿信號，以防RAM同時讀寫造成輸出不定值。此外，每個數據從outputdata端口輸出時，CS、DS在一定延時后(1個CLK時鐘周期)給時序產生留足夠時間。需說明：COM20020內部有2 K字節的RAM空間，用于存放待發送或已接收的數據包，在向RAM中寫數據包前，指定該數據包的存放位置，然后將COM20020中的指針自動移動位置 1，則只需連續的向該RAM中寫數據，而不必給出地址信號。?? ?3．3 對外設指定寄存器操作??? 對外設指定寄存器操作比批數據傳送實現簡單，只需將操作次數降為1次，并對 COM20020的A2～A0提供相應的地址即可。指定寄存器操作將數據存儲在RAM的高512字節空間，并且只占用其中低8個字節，在PXA270編程時，需確保PXA270送入RAM的地址與命令寄存器中的RAM存儲地址COMMANDBYTE[2..0]相對應。
4 結論??? 本設計解決ARCNET協議專用器件應用于列車通信網絡中的時序匹配問題，實現了PXA270處理器與COM20020的時序轉換。此外，對擴展其他總線訪問類型提供了參考框架，可通過修改CommandGenerator中COM20020時序，實現不同外設總線訪問類型的擴展；修改 AutoAccessDataNun-sOnce中的ACCESSTYPE，可配置批數據操作的數據種類。