基于FPGA的PCI总线串口卡设计 - 全文

　　随着计算机测试技术的飞速发展，越来越多的外部设备通过串口与计算机进行通信，实现信息共享以及设备的集中控制和管理。利用串口进行通信具有结构简单、传输距离远、成本低廉等优点，被广泛应用于各个领域。同时，PCI（Peripheral CompONent Interconnect）总线是一种高性能32/64位局部总线，最大数据传输速率为132 Mb/s，可同时支持多组外设，数据吞吐量大，是目前应用最广泛、最流行的一种高速同步总线。因此，利用PCI总线实现上位机与外部设备的串口通信，可以提高通信能力。

　　由于大部分I/O 设备没有PCI总线功能，要实现设备与PCI总线的连接，需要PCI接口芯片、通用异步收发器UART（Universal Asynchronous Receiver Transmitter）等。而目前开发PCI总线与外部设备的串口通信大体上有两种方式：（1）使用专用的芯片，如：PCI专用接口芯片S5920、S5933等；UART专用芯片8250、8251、16450、16550等。使用厂家提供的专用接口芯片，用户可能只使用到它的部分功能，会造成一定的资源浪费，而且专用芯片价格高。（2）使用可编程器件FPGA。使用FPGA较使用专用芯片具有以下优点：一方面用户可以根据需要进行设计，不会浪费资源；另一方面可以将PCI接口、UART都做在一片FPGA内，这样就不需要外接专门的芯片，简化了电路、缩小了体积、提高了系统的可靠性。

　　1系统硬件设计

　　本设计中选用Altera公司的FPGA芯片EP1C6SQ240作为核心器件，完成PCI接口以及UART的设计，实现PCI总线与串口的连接。选用美信公司的MAX490芯片作为电平转换电路。系统的硬件连接框图如图1所示。

　　

　　数据传输过程：上位机通过PCI总线发送并行数据到UART的数据缓存器中，然后数据经UART的数据缓存器进入UART的移位寄存器进行并串转换后，通过串口传到下位机。反之，下位机通过串口将数据传送到UART的移位寄存器中，进行串并转换，然后进入UART的数据缓存器中，最后传到上位机。

　　设计中采用，传输距离长、抗干扰能力强的RS422串口。但是规定RS422：逻辑1的电平为-6 V～-2 V；逻辑0的电平为+2 V～+6 V。而FPGA的I/O电平一般为0～3.3 V，二者之间的电平不兼容。为了使二者之间的供电电压保持一致，必须加入电平转换电路。为此选用美信公司的MAX490芯片来实现二者之间的电平转换，其电路原理图如图2所示。

　　

　　1.1 PCI总线接口

　　PCI总线接口的功能是将一个不支持 PCI 协议的后端设备接口到PCI 总线上。为了实现PCI总线接口的基本功能，必须完成如下模块的设计：PCI空间配置模块、偶校验模块、地址译码和命令译码模块、设备状态机模块等。PCI总线接口原理框图如图3所示。

　　

　　1.1.1 PCI空间配置模块

　　PCI协议支持3种地址空间：I/O空间、内存空间和配置空间。配置空间是PCI所特有的一种空间，其大小为256 B，前64 B是必需的，记录了PCI串口设备的基本信息。PCI设备的一些主要的信息如下：

　　（1） VendorID、DeviceID：分别表示设备的生产厂商和设备编号。

　　（2） Command：命令寄存器，包含设备控制位，包括允许存储器读写响应等。

　　（3） STatus：状态寄存器，记录PCI总线的相关事件信息。

　　（4） Base Adress Register：基地址寄存器，指示此PCI设备按I/O方式还是按内存方式进行读写以及需要的地址空间大小。

　　（5） Interrupt Line、Interrupt Pin：为设备使用的中断号和中断引脚。

　　1.1.2 偶校验模块

　　PCI总线的偶校验用于检验数据传输是否正确。在PCI总线上，利用偶校验模块检查每次传输中主设备是否正确地寻址到目标设备，以及它们之间的数据是否正确地传输。

　　1.1.3 地址译码和命令译码模块

　　地址译码模块主要用于检测地址与此PCI串口设备的基地址是否匹配，如果匹配，则PCI串口设备响应当前的总线操作。

　　命令译码模块表示PCI串口设备响应不同的总线命令，通过检测PCI-cbe［3：0］信号线上的值，完成命令译码。

　　1.1.4 设备状态机模块

　　PCI总线接口电路是时序复杂的接口电路，它的复杂性由PCI总线操作的多样性决定。根据PCI的总线操作类型和总线操作时序关系，在这里抽象出一种简洁明了，符合总线时序、更易于硬件描述语言实现的状态机。总线接口状态机示意图如图4所示。状态机的设计是整个设计的核心部分，利用该状态机可以完成配置寄存器、存储器、I/O的读写操作。

　　

　　状态机包括4个状态：空闲（idle）状态、配置读写（con）状态、存储器或I/O读写（rw）状态、传输中止（backoff）状态。系统复位后，状态机转入空闲状态，在空闲状态中采样总线，并根据总线的变化来决定状态机即将转入的状态。如果此时命令总线上是配置寄存器读写命令，判断PCI-irdy信号是否有效来决定下一可能的状态。如果信号无效，则状态机转入传输中止状态，然后返回空闲状态；如果信号有效，则状态机转入配置读写状态。如果此时命令总线上是存储器或者I/O的读写命令，则判断PCI-frame信号是否有效来决定下一可能的状态。如果信号无效，状态机转入传输中止状态，然后返回空闲状态；如果信号有效，状态机转入存储器或I/O读写状态。

　　1.2 UART模块

　　PCI总线传输的是并行数据，而串口传输的是串行数据，要想实现PCI总线与串口的数据传输，必须通过UART完成数据的串并/并串转换。本文设计的基于FPGA的UART由4个模块组成：波特率发生器模块、寄存器控制模块、接收模块以及发送模块。UART的总体框图如图5所示。

　　

　　1.2.1 波特率发生器模块

　　波特率发生器实际上就是一个分频器，用来产生和串行通信所采用的波特率同步的时钟，这样才能按照串行通信的时序要求进行数据接收或发送。本设计中UART收发的每一个数据宽度都是波特率发生器输出时钟周期的16倍，即假定当前按照9 600 b/s进行收发，那么波特率发生器输出的时钟频率应为9 600×16 Hz。

　　1.2.2 寄存器控制模块

　　设计的UART包括：2个数据缓冲寄存器（接收、发送缓冲寄存器）；2个状态寄存器（中断识别、线路状态寄存器）；2个控制寄存器（中断使能、线路控制寄存器）；2个移位寄存器（接收、发送移位寄存器）。寄存器控制模块完成除了移位寄存器外的所有寄存器的读写控制。

　　1.2.3 接收模块

　　接收模块包括接收缓冲寄存器和接收移位寄存器。在接收数据开始时，为了能够准确地传输数据，先要清空接收缓冲寄存器和接收移位寄存器，然后接收移位寄存器等待检测数据的起始位。检测到有效的起始位后开始接收数据，同时启动接收数据计数器，统计接收数据的位数，直到接收到满足需求的数据位。如果需要奇偶校验，则产生校验位。最后接收停止位，完成1帧数据（起始位+数据位+奇偶校验位+停止位）的接收，将数据存入接收缓冲寄存器，进行下一帧数据的接收，并通知上位机读取数据。

　　接收模块通过状态机来完成数据接收，其状态机包含4个状态：空闲状态（idle）、移位状态（shift）、奇偶校验状态（parity）和停止位状态（stop），如图6所示。其工作过程如下：当系统复位时，状态机进入空闲状态，等待接收开始位；当开始位被确定有效后，状态机进入移位状态。在移位状态中，接收模块为每个数据位的移入等待16个内部时钟周期，接收完特定的数据位后，若奇偶校验使能有效，则跳转到奇偶校验状态；否则，进入停止位状态，而后进入空闲状态，重复上述过程。

　　

　　1.2.4 发送模块

　　发送模块包括发送缓存寄存器和发送移位寄存器。在发送数据开始时，清空发送缓存寄存器和发送移位寄存器后，发送缓存寄存器接收发送来的数据，然后从发送缓存寄存器向发送移位寄存器发送数据。首先发送起始位到发送移位寄存器，同时启动发送数据计数器，记录发送数据的个数，直到发送移位寄存器接收到满足需求的数据。若奇偶校验使能有效，则跳转到奇偶校验状态；否则，进入停止位状态，完成1帧数据的发送。只要发送缓存寄存器不为空，则继续传输下一帧数据。其状态机的实现与接收模块的类似。

　　2 系统软件设计

　　2.1 驱动程序

　　WinDriver是一套PCI驱动程序开发包。它改变了传统驱动程序开发的方法与思路，极大地简化了驱动程序的编制。同时，WinDriver又没有牺牲驱动程序的性能，是一套高效、快捷的PCI驱动程序开发软件包［4］。WinDriver可在VC／C++、Delphi、BC++、VB等多种开发环境中使用，本设计选用VC++作为驱动程序的开发环境，通过WinDriver生成VC++代码，根据设计的需要修改生成的代码以完成此PCI设备的驱动。驱动程序流程图如图7所示。

　　

　　2.2 应用程序

　　应用程序负责调用、连接驱动程序，实现与驱动程序的通信。连接到驱动程序后，向驱动程序注册，同时启动串口监测工作线程，等待事件发生。当驱动程序接收到中断后，通过发送消息通知应用程序，处理发生的事件。处理后退出应用程序，结束等待事件线程。应用程序流程图如图8所示。

　　

　　本文介绍了一种基于FPGA的PCI总线串口卡设计方法，简单说明了其硬件的设计和驱动程序、应用程序的编写方法。该设计符合通用的PCI规范，支持即插即用功能，传输速率高，抗干扰能力强。可以广泛应用于各类测试设备、工厂自动化等，具有很高的实用价值。