一种基于FPGA的PXA270外设时序转换接口设计

1 引言

ARCNET协议应用于高速动车组列车通信网络时，产生中央控制单元处理器PXA270与专用协议控制器件COM20020相连的时序不匹配问题，若用通用数字电路模块进行时序转换，PXA270需占用PXA270专门的资源(CPU时间片)对 COM20020的寄存器、数据包缓冲区进行低速读写访问(对COM20020的相邻两次读操作相隔至少300 ns)，这样将增加处理器的负担。基于这种现状，提出一种基于FPGA的PXA270外设时序转换接口设计方案，以FPGA为桥梁进行时序转换，并增加存储器直接访问DMA(Direct Memory Aeeess)功能，即FPGA自动完成数据包的收发工作，PXA270则只需高速读写访问FPGA中的同步双口RAM。
2 时序转换接口整体设计

2．1 FPGA对外接白

采用FPGA连接PXA270处理器与外设以解决PXA270处理器与外设直接连接时的时序不匹配问题。如图1所示，FPGA从PXA270处理器获得地址总线(ADDRBUS[17..14]， ADDRBUS[9..0])，片选信号(SYSCS5)，读允许(SYSOE)，写允许(SYSWE)，并提供双向数据端口DATABUS[7..0] (可根据实际应用修改为32位或16位等)，中断(interrupt)；同时，FPGA向COM20020提供特定的总线接口，包括 COM20020_DS，COM20020_CS，COM20020_DIR，COM20020_DATABUS [7..0]，COM20020_ADDRBUS[2..0]等。

2．2 内部功能实现

PXA270和外设之间的连接是将FPGA中的双口RAM作为数据中转站，以此间接相连。该设计由以下4个功能模块组成。
(1)PXA270对外设指定寄存器单次写操作PXA270先将所要写的数据送人双口RAM，然后PXA270向FPGA的命令寄存器写入对该外设指定寄存器的单次写指令，然后FP-GA根据接收到的命令将RAM中的数据输出到外设数据总线，同时给出对外设的写时序。
(2)PXA270对外设指定寄存器单次读操作PXA270先向FPGA的命令寄存器写入对该外设指定寄存器的单次读指令，此时，FPGA给出对外设的读时序，并驱动RAM的地址总线、写时钟等信号，将外设数据总线上的数据传送到RAM中。再延时1μs，PXA270从RAM中读出数据。
(3)PXA270对外设批数据写操作与单次写操作不同的是，PXA270需先将所要写入的数据存储到RAM的连续空间，然后向FPGA的命令寄存器写入批数据写操作指令，FP-GA根据接收到的命令将RAM中的数据分次送至外设数据总线，且需保证向COM20020的写时序与之同步。
(4)PXA270对外设批数据读操作 由FPGA给出对外设的连续多次读时序将外设中的数据送人RAM，完成存储工作。PXA270等待批数据读完成中断发生后对RAM进行连续读。

3 功能模块设计
3．1 时序发生模块设计

COM20020有80xx-like和68xx-like两种总线访问方式。这里中实现68xx-like访问方式，图2为其读写访问时序。
读写时序的共同要求为：片选信号CS必须先于DS至少5 ns，并且只允许在DS无效之后CS才能恢复为高电平；读写方向信号DIR应在DS有效前至少10 ns建立；DS高电平宽度不小于20 ns。两者的不同要求：写时序的地址总线先于操作脉冲DS至少15 ns建立，DS低电平不小于20 ns，数据总线有效数据必须在DS变高之前至少30 ns建立，保持至DS变高后至少10 ns；而读时序的地址总线先于片选信号至少15 ns建立，DS低电平不小于60 ns，DS变低到数据总线数据有效的间隔最大为40 ns，DS变高到数据总线高阻抗的间隔最大为20 ns，这是COM20020作为数据输出方给访问设备提供的特性。针对以上读写时序的要求，具体设计如下：DIR在一次操作中只有高或低电平一种可能，通过命令寄存器在操作前事先给出，而后给出使能信号，DS在CS有效之后变低，而在CS无效之前变高，以便数据可靠锁存。

图3为COM20020的时序原理图，从时序分析可得出如下设计方案：DIR用于指示操作是读还是写，DIR=‘1’为读，否则为写。在操作前先对DIR 赋值；在EN有效时选择CS，CLK的下一次上升沿变为有效。这样是给写操作对COM20020数据总线准备数据之用，不影响读操作；DS选择在CS有效的下一个CLK上升沿变为有效，但在CS无效前两个时钟周期给出上升沿，以满足“片选信号CS必须先于DS至少5 ns，并且只能在DS无效之后恢复为高电平”，并且DS中间应有至少60ns的时钟宽度，因而保持3个CLK周期有效。图4为CommandGenerator时序仿真图。采用计数器进行时序同步。以下给出VHDL源代码。

 
图5为批数据从WRRAM向外设传送的连续时钟产生和自动地址生成原理图。其中，lpm_counter0为带有异步清零和进位信号的增计数； AutoAccessDataNumsOnce在EN='1'时，产生一次批传送时钟，根据COM20020的长短数据包传送要求，在CCESSTYPE =‘1’时传送长数据包(512 B)，否则传送短数据包(256 B)。FRE信号同时提供WRRAM的rdclock和lpm_counter0的clock信号。

    图6为一次批数据向RAM中写，而后启动DMA传输，将数据从RAM送至COM20020的时序仿真。在WRCLOCK上升沿时，RAM将datain总线上的数据存储到WR_AD-DRESS所指向的字节地址空间，WRCLOCK信号是由PXA270的WE信号与分配给RAM的片选信号(高电平有效)相与而得。对RAM进行模拟写时必须确保AUTOWREN无效(低电平)；在检验数据DMA传输的RAM输出环节，WRCLOCK应不再出现上升沿信号，以防RAM同时读写造成输出不定值。此外，每个数据从outputdata端口输出时，CS、DS在一定延时后(1个CLK时钟周期)给时序产生留足够时间。需说明：COM20020内部有2 K字节的RAM空间，用于存放待发送或已接收的数据包，在向RAM中写数据包前，指定该数据包的存放位置，然后将COM20020中的指针自动移动位置 1，则只需连续的向该RAM中写数据，而不必给出地址信号。    3．3 对外设指定寄存器操作    对外设指定寄存器操作比批数据传送实现简单，只需将操作次数降为1次，并对 COM20020的A2～A0提供相应的地址即可。指定寄存器操作将数据存储在RAM的高512字节空间，并且只占用其中低8个字节，在PXA270编程时，需确保PXA270送入RAM的地址与命令寄存器中的RAM存储地址COMMANDBYTE[2..0]相对应。
4 结论    本设计解决ARCNET协议专用器件应用于列车通信网络中的时序匹配问题，实现了PXA270处理器与COM20020的时序转换。此外，对扩展其他总线访问类型提供了参考框架，可通过修改CommandGenerator中COM20020时序，实现不同外设总线访问类型的扩展；修改 AutoAccessDataNun-sOnce中的ACCESSTYPE，可配置批数据操作的数据种类。