外部接口单元 - FPGA总线桥接在特种计算机中的应用设计

2.3 外部接口单元
外部接口单元为实现特种计算机多接口功能的具体实现单元，该部分可以根据客户定制需求来选择不同的设计内容，对相应设计进行逻辑编程即可实现特殊接口定制功能。本文提出的应用包括以太网接口、UART 接口、USB 接口以及CAN 总线接口。

2.3.1 以太网接口
传统的以太网接口通过以太网控制器外接一个PHY 芯片来完成主机与外部通信（如图4）。对于使用FPGA 的通信方式通常有两种，一个使用只含有物理层（PHY）的控制器，则需要在FPGA 内部来实现MAC 功能，另一个是自带物理层（PHY）处理接口和媒体控制层（MAC）处理接口，此种使用FPGA 只关心数据协议的处理。本文太网链接通过外接带PHY 和MAC 层的以太网接口芯片DM9000 实现，故只需在FPGA 内部实现协议应用层，通过逻辑控制以及协议转换经局部总线即可完成与PCIE 的链路桥接（如图5）。

图4 传统以太网接口

图5 DM9000 应用接口

2.3.2 UART 通信接口
该通信接口模块包括数据发送、数据接收、波特率发生器、顶层逻辑控制部分[3]，顶层逻辑控制部分负责与局部总线通信以完成数据发送和接受，进而实现上层通信；在下层通信中，通过FPGA 内部逻辑控制功能的改写以及外部链接不同的TTL 电平转换芯片即可完成如RS232 和RS485 的对外通信。图6 为UART 接口框图。

图6 UART 接口通信

2.3.3 USB 接口
USB 接口部分采用FPGA 外挂CY7C68013 接口芯片的方式实现，该芯片集成了USB2.0 协议，可以直接完成USB2.0 协议的解析[4]。如图7，FPGA 作为核心对该接口芯片进行控制，接口芯片以异步方式运行于从模式，其与FPGA 的数据连线采用16 位。数据收：USB 总线控制器接收自USB 设备的数据，将其解析后并行输入至FPGA，FPGA 内部逻辑控制模块将数据经过内部格式的转换后，将数据传至在FPGA 局部总线的缓存器中，最后传输至计算机系统。数据发与收路径相反。在通信中FPGA 将PCIE 通道信号与UBS 信号通道，进行逻辑控制，进行数据及时序转换，通过局部总线来完成通信信道的链接。

图7 USB 接口通信

2.3.4 CAN 总线接口
CAN 总线是现场总线的一种，因为其成本低、容错能力强、支持分布式控制、通信速率高等优点在汽车、工业控制、航天等领域得到广泛应用[5]。实现CAN 总线与计算机双向通信接口的核心是FPGA 及CAN 控制器。FPGA 对CAN 控制器控制程序包括初始化、读数据、写数据等部分。如图8 所示为CAN 总线接口框图。其中，数据接收模式：CAN 总线控制器接收自CAN 总线的数据，将其并行输入至FPGA，FPGA 内部逻辑控制模块将数据经过内部格式的转换后，将数据传至FPGA局部总线的缓存器中，最后传输至计算机系统。数据发送模式与收路径相反。CAN 控制器采用SJA1000，收发器采用PCA82C250。

图8 CAN 总线接口通信

2.4 电源管理单元
电源管理单元为FPGA 内部与逻辑接口单元相独立的部分，其为了实现整机的微型化特点，将电源管理部分集成至FPGA 内部，通过逻辑控制不同电源芯片的使能来实现对计算机时序的控制，同时增加对关键器件的复位、初始化控制，实现整个机器的时序逻辑控制。其实现如图9 所示。

图9 计算机电源管理单元

3 FPGA 的实现

本设计选用的是Xilinx 公司FPGA 的Spartan-6 系列产品。整个设计采用Verilog HDL 硬件描述语言，ISE Design Suite 14.7 环境平台上进行系统的开发、仿真等设计。通过Xilinx Platform Cable USB 将编译后的文件下载至硬件系统中，进行系统调试以及性能、稳定性测试等。

4 结语

特种计算机的发展逐渐朝着多用途、微型化方向发展，随着使用者及使用环境的不断变化和增多，会产生越来越多的各种定制化产品。FPGA 芯片的发展也逐渐朝着高集成度、高性能方向发展，在部分专用FPGA 中也已经集成了专用CPU 核，FPGA 的的高集成度、高性能及可编程性使其能在诸特种计算机的特定要求中发挥着较高的设计灵活性。在未来的计算机开发中，FPGA 的使用也将成为一种不可或缺的设计手段。