多DSP局部总线与VME总线的接口设计

1引 言

    VME(Versa Module Eurocard)总线是一种计算机总线结构，1981年由其生产商Motorola，Mostesk和Signe-tios三家公司组成的集团合作定义。1987年，VME总线被批准为国际标准IEEE1014-1987。VME总线系统采用主控／目标结构、异步非复用传输模式，支持16位、24位、32位寻址及8位、16位、24位、32位数据传输，最大总线速度是40 MB／s。1996年的新标准VME64(ANSI／VI-TA1-1994)将总线数据宽度提升到64位，最大数据传输速度为80 MB／s。而由FORCE COMPUTERS制定的VME64x总线规范将总线速度提高到了320 MB／s。历史上，VME总线由于其众多的功能、强大的兼容性、并行性和高可靠性一直是实时嵌入式系统的首选机型，主要应用于图像处理、军事通信、雷达信号处理等众多领域。本文基于雷达实时信号处理的需要，用FPGA实现了多DSP信号处理模板局部总线和基于标准VME总线的计算机进行通信的接口设计。

2 VME总线的功能特点

    VME总线系统的功能结构可以分为4类：数据传输总线(DTB)、DTB仲裁总线、优先中断总线和实用总线。每一类都包括一条总线以及与之相关的功能模块，他们共同完成某一确定的功能。

2.1 数据传输总线

    DTB信号线可以分为3类：寻址线、数据线、控制线。为了适应处理器寻址的灵活性，并对地址空问进行保护，VME总线提供6条地址修改线，选择不同的地址修改码即可实现16，24，32位的寻址变化，并对地址空间赋予特定的保护权限。控制线和地址线的不同组合可以灵活地控制数据的传送宽度和方式，如8，16，24，32位。依靠这些控制信号的互锁逻辑，VME总线进行异部传输，而不需要时钟的同步，从而可以可靠地实现不同设备之间的数据传输。当主从模块交换数据时，地址线由主模块驱动进行寻址，根据利用的地址线数目的不同，地址可以是短地址、标准地址和扩展地址，所用地址线的数目由地址修改线AM0～AM5规定。数据线D00～D31用来传输l～4个字节的数据。主模块用数据选通线DS0～DS1，字长线LWORD和地址线A01配合制定不同的数据传输周期类型。其数据长度选择的真值表和地址总线真值表如表1和表2所示。这里暂不涉及64位据和地址总线。

2.2 DTB仲裁总线

    在VME总线系统中，当同时有多个模块要求使用DTB时，仲裁子系统就检测这些请求，并在某一时刻仅允许一块模板使用DTB。

    仲裁总线由6条总线信号线和4组菊花链信号线组成：总线请求线BR0～BR3；总线忙线BBSY；总线清除线BCLR；总线允许输入线BG0IN～BG3IN；总线允许输出线BG0OUT～BG3OUT。菊花链信号线由每块板的总线允许输入线(BgxIN)和总线允许输出线(BgxOUT)组成。从n号插槽出来的菊花链信号线，如BGxOUT与下一板(n+1)号插槽的(BgxIN)相连。槽1的BgxIN一般由槽1的总线仲裁模块来驱动。

    在VME总线仲裁系统中共有O～3四种优先级，第3优先级最高，第0优先级最低，也就是说DTB仲裁总线中总线请求，总线允许输入和总线允许输出各有4条。每个请求模块只驱动一条请求线，并接受同一级别的总线允许链路仲裁，即BRx，BGxIN，BGxOUT中x相同时才能构成一级仲裁链路。至于仲裁驱动模块对4条仲裁链路的处理，则可以采用3种不同的方式：优先法、循环法和单级法。优先级仲裁是按照4条总线请求的优先级别从最高的BR3到最低的BR0这一固定的优先顺序分配总线的。循环仲裁是按照循环优先的原则来分配总线的，在总线请求线BR(n)上某一请求模块已获准使用总线时，则下一次仲裁的最高优先级就是BR(n-1)；单级仅接受BR3上的请求，并依靠BR3上的总线允许菊花链来裁判。

2.3 优先中断总线

    通常仅有一个处理器处理中断，监视中断请求线(IRQl～IRQ7)，IRQ7优先权最高，在响应中断时，一个地址周期产生，这个地址指示请求已被响应，中断响应线(IACK)被仲裁器改变以daisy-chain(菊花链)的方式向下传送，用IACKIN和IACKOUT信号，一个数据周期指出请求设备，并提取请求设备的状态和IV(中断矢量)。

2.4 实用总线

    实用总线功能提供系统周期定时，上电初始化和故障检测功能，主要有SYSCLK(系统时钟线)，ACFAIL(交流故障线)，SYSRESET(系统复位线)，SYSFAIL(系统故障线)；系统时钟线是独立的频率为16 MHz的时钟信号，由位于1号槽的系统时钟驱动模块产生，可以作为整个系统的时间基准。另外3条信号线由l号槽的电源监控模块产生。

3 系统接口设计方案

    通常，设计多DSP局部总线与标准总线接口可以采用专业公司提供的接口控制芯片。例如，利用Cypress公司的VIC64桥接电路可以设计功能全面，具有完全的主模块／从模块功能的标准VME总线接口。但是如果用户开发的基于VME总线的应用模块仅作为从设备．那么就只需要具备从从模块的总线接口，这样就可以使用FPGA自行设计桥接电路，本设计结合系统需要，采用双口RAM实现数据交换，FPGA实现接口逻辑转换。接口设计方案如图1所示。

    图1中DSP为Analog Devices公司TS101，4片TS101共享总线组成紧耦合系统。双口RAM为Cypress公司的高速、大容量、低功耗芯片CY7C025AV，他的容量为32 kB，数据宽度为16 b，最高访问速度达到80 MHz。FPGA为ALTERA公司的EPF10K30A。

    双口RAM的左端口与多DSP局部总线相连，局部总线的MS0连接双口RAM的CEL(左端口使能)，双口RAM在多DSP局部总线的地址空间映射为0X8000000～0X8007FFF。双口RAM的读写时序与普通存储器相同，可以直接与局部总线相连，DSP可以通过慢速总线传输协议访问双口RAM的地址空间。双口RAM的OEL(左端口输出使能)和RWL(左端口读写使能)分别接局部总线的RD和W／R，左端口数据线(D0L～D15L)和地址线(A0L～A14L)也分别与局部总线的数据和地址线相连。

    双口RAM右端口和标准VME总线通信，由FPGA负责译码标准VME总线控制信号线产生接口控制逻辑，双口RAM的右端口数据线(D0R～D15R)和地址线(A0R～A14R)通过总线驱动器74F16245驱动后和标准VME：总线的数据和地址线相连。74F16245的使能和传输方向信号由FPGA译码产生。

    标准VME总线的控制信号线与FPGA连接，由于FPGA的I／O管脚可以兼容各种电平，所以VME的控制信号线可以直接与FPGA相连。

4 FPGA接口程序的设计

    FPGA中的VME总线接口程序主要由2大模块组成，一个模块是VME主机对双口RAM访问的普通I／O模块，该模块主要实现标准VME总线访问时序到双口RAM访问时序的逻辑转换，VME总线地址译码和访问模式译码，以及VME总线到双口RAM的数据地址线驱动的逻辑控制。另一个模块多DSP模板向VME主机发送中断的中断请求模块，该模块主要完成中断信号的发送，主机发来的中断认可的处理和向主机发送中断状态和识别码。

4.1 普通I／O模块的设计

    普通I／O模块的程序设计采用VHDL语言状态机实现，整个过程分为5种状态：idle(空闲状态)，selection(选中状态)，write(写数据状态)，read(读数据状态)和answer(应答状态)。

    idle状态表示本模块没有被VME主机访问；selection状态表示地址和模式译码已经选中本模块，主机要访问双口RAM的地址空间；write状态VME主机正在向双口RAM写入数据；read状态表示VME主机正在从双口RAM中读出数据；answer表示本模块响应访问周期向VME主机发送数据传输应答。描述整个过程的状态转移图如图2所示。

    I／O模块标准传输的过程描述为：idle状态时，地址监测划模块应处于VME总线地址译码和访问模式监测状态，本模块的访问模式为A24-D16标准数据访问模式。当VME主机输出的地址和访问模式与本模块一致时，即输入地址VA20～VA23为程序所设的地址，AM码等于3A(H)，LWORD为高，VA1为低和AS为低，地址监测模块输出“从模块选中信号”，启动了从模块访问，这时模块进人selection状态。

    进入selection状态后，程序监视DS0，1(数据选通信号)和WRITE(读写信号)。当DS0，DS1都为低，WRITE为高时，模块进入read状态；当DS0，DS1都为低，WRITE为低时，模块进入write状态。

    当模块处于read状态时，FPGA置双口RAM的CER为低使能双口RAM，OER为低使能数据输出，RWR为高关闭写使能，使双口RAM为数据输出状态。FPGA还要打开总线驱动使能，设置总线驱动方向，使VME地址总线为输入，数据总线为输出。

    当模块处于write状态时，FPGA置双口RAM的CER为低使能双口RAM，RWR为低使能写信号，OER为高关闭输出数据使能，使双口RAM为数据输入状态。FPGA还要打开总线驱动使能，设置总线驱动方向，使VME地址数据线都为输入。

    为了设置“读应答使能”和“写应答使能”，模块在进入read(读数据状态)或write(写数据状态)后，都使能一个计数器计数。当计数器的计数值为某值时(此计数值可以用来调整读写周期的大小，本例中使用32 MHz时钟时，计数值为1即可)，分别置“读应答使能”和“写应答使能”有效，模块进入answer(应答状态)状态。在模块进入an-swer后，程序置DTACK为低，向主机发送数据传送应答。这样，当主机向双口RAM写数据时，通知主机可以释放总线；当主机从双口RAM读数据时，通知主机数据已经稳定可以锁存数据。主机收到DTACK后释放DS0，DS1为高，AS为高；模块检测到DS0，DS1为高，AS为高后，将DTACK置高，关闭双口RAM使能和VME总线驱动，模块进入idle(空闲状态)，一个标准的VME总线传输周期结束。

    整个过程的仿真时序波形如图3所示：图中，“000”表示idle状态，“001”表示selection状态，“101”表示read状态，“011”表示write状态，“111”表示answer状态。

4.2 中断请求模块的设计

    本模块设计采用VHDL语言编写程序，使用进程对中断产生模块的功能进行描述，即用进程中if-elsif-else语句来描述这个时序过程。

    中断模块负责产生标准VME总线中断，处理VME主机中断管理模块发来的中断响应。程序设计了一个8位的内部寄存器VINT，用来控制中断信号的产生，寄存器位VINT1～7对应IRQ1～7，控制VME总线中断信号的产生和撤销，VINT0作为发中断使能位．当VINT0等于1时，程序检查VINT1～7，置相应的中断请求信号线IRQ1～7为低，便向监控该信号的VME主机中断管理模块发出了中断请求。

    中断请求模块发出中断请求后，监控输入信号IACK-IN和A1～3，等待VME主机中断管理模块发来的中断响应。当检测到IACKIN为低，即开始中断号对照，检测A1～3上的值是否和本模块发出的中断号一致，如果不一致就将驱动IACKOUT输出菊花链为低，如果一致将该中断的状态／识别码放到VD0～7上，当数据稳定后，驱动DTACK为低，通知VME主机中断管理模块取走中断状态识别码，主机进入相应的中断服务程序．即完成了从模块VME总线中断的发送和响应过程。

5 结 语

    用VHDL语言实现了多DSP局部总线到标准VME总线普通I／O模块和中断请求模块的设计，双口RAM的存储空间映射到工控机的存储空间的地址为0XC0410000～0XC0413FFFC。使用32 MHz时钟时．通信速率町达16 MB／s，能够满足雷达信号处理板到终端通信的要求。