DSP HPI口與PC104總線接口的FPGA設計

在一款嵌入式數據采集系統的設計中，采用TMS320VC5409 DSP作為對多路信號的采集與預處理，處理后的數據送至12.7 Cm(5in)的工控計算機中進行分析與保存。因為工控機的總線為PC104，因此需要設計PC104與DSP之間的通信接口。系統中以Altera公司的一片FPGA芯片EPlK50來對該接口和數據采集過程中的邏輯控制與FIFO進行設計。下面主要闡述該通信接口的設計。

1 DSP的HP0接口
TMS320VC5409 DSP的HPI是一個8位的并行接口，主要用來與主設備或主處理器接口。DSP內部有一定數量的雙訪問RAM，除了DSP本身可以訪問該RAM區域外，主機也可以通過HPI口實現對雙訪問RAM的訪問，從而實現主機與DSP的通信。

HPI接口通過HPI控制寄存器HPIC、地址寄存器HPIA、數據寄存器HPID等3個HPI寄存器進行控制和實現數據傳輸。這3個寄存器都是16位的，因此主機訪問這些寄存器時需要分兩次操作才能完成。

HPIC只有4位用于控制HPI的操作，這4位分別位于高字節和低字節的低4位，并規定HPIC的高低字節必須相同：
Bit0／8(BOB)一一用于字節順序控制，BOB=1表示第1個字節為低字節，否則第1個字節為高字節；
Bitl／9(SMOD)一一訪問模式控制，SMOD=l表示共享訪問模式(SAM)，否則為主機訪問模式(HOM)；
Bit2／10(DSPINT)一一主機通過將該位寫l來向DSP發送1次HPI中斷；
Bit3／11(H1NT)一一DSP通過向該位置l，使外部引腳HINT產生一個低電子作為給主機的中斷，中斷的清除必須由主機向該位寫l來清除。

HPID是數據寄存器，主機通過讀寫該寄存器來實現對共享RAM的讀寫，RAM的地址則由HPIA地址寄存器的內容來決定。因此，主機對DSP的訪問過程是，先往HPI地址寄存器HPIA寫入欲訪問的地址，然后再對數據寄存器HPID進行讀或寫訪問。

HPI接口信號包括：
HAS一一輸入，地址鎖存信號，可連接到高電平；
HBIL一一輸入，字節識別信號，用來識別傳輸的是高電平還是低電平；
HCNTL[1..0]一一輸入，HPI寄存器的訪問地址信號，主機用來選擇訪問的HPI寄存器。如表l所列；

HCS一一輸入，HPI片選信號，低電平有效；
HD[7..0]一一雙向三態數據總線；
HDS1/HDS2一一數據輸入選通信號，可將其中一個接低電平，另一個接邏輯控制；
HINT一一輸出，給主機的中斷信號，由HPIC寄存器的HINT位控制；
HRDY一一輸出，HPI準備好，高電子有效；
HR／W一一輸入，讀寫控制信號，高電子表示主機進行讀操作，低電子表示主機進行寫操作。
HPI的訪問時序如圖l所示。如前所述，訪問寄存器時需要分兩次操作才能完成。

2 PC104總線
PC104總線是從ISA總線衍生而來的，主要是為了適應嵌入式系統的需要。在8.89 cm(3.5 in)和12.7cm(5in)工控主板中，大多使用PC104總線作為標準接口總線。PC104總線共有104根引腳，其中絕大多數與ISA總線信號特性完全一致，只有極個別的信號有區別，因此在應用中完全可以按ISA總線使用。PC104總線與ISA總線一樣，是一個16位和8位同時兼容的總線。在本系統中，使用的是8位的方式，將DSP的HPI口作為PC104總線的8位I／O設備。PC104總線的I／O訪問時序如圖2和圖3所示。

根據PC104總線的I／O訪問時序，只需使用以下的總線信號，即可完成8位總線的通信設計：
SD[7．．0]一一PC104數據總線；
SA[9..0]一一PC104地址總線；
IOW一一PC104端口寫控制，低電平有效，表示對I／0口寫操作，由OUT指令執行；
IOR一PC104端口讀控制，低電子有效，表示對I／O口讀操作，由IN指令執行；
SYSCLK一一PC104總線時鐘；
ALE一一地址鎖存信號，在此不用作地址鎖存，而是用作總線周期的開始同步，它的下降沿表示總線周期開始；
IOCHRDY一一I／0設備就緒信號，當將該電平為低(無效狀態)時，表示I／0設備要延長總線周期，信號由三態門或集電極開路門驅動；
IRQ一一中斷請求信號，當I／O設備需要向PC機通信或是采集的信號已經準備好后，向PC發起中斷，申請通信，PC將數據讀走。

3 接口設計
根據前面的分析，得出接口原理如圖4所示。

圖4中，FPGA為EPlK50。EPlK50內部擁有2880個邏輯單元，40 960位的RAM。在本系統中，不僅作為HPI和PC104的接口邏輯，還有其他功能，如FIFO、A／D控制等。

EP1K50的內核供電電壓為2.5 V，I／O供電電壓為3.3 V，可以直接與I／O供電電壓也是3.3 V的TMS320VC5409 DSP相連．另外，EPIK50能承受-0.7~5.75V的輸入電子，輸出則與TTL電平兼容，因此EP1K50也可以直接與5 VTTL電平的PC104總線相連，從而在DSP和PC104總線之間起電平轉換的作用，不需再使用其他的電子轉換器件，簡化了電路設計。

對于接口設計來說，最主要的就是時序設計。時序設計正確了，系統就能正確地工作。在綜合了HPI的訪問時序與PC104總線的讀寫時序后，得出以下設計方法：
①對于HPI寄存器的訪問可以通過地址編碼實現，偶地址對應寄存器的低字節，奇地址對應寄存器的高字節，如表2所列。

于是相應信號關系為：
HCNTL[1．．0]=SA[2．．1]
HBIL=SA[0]
當SA[9．．0]=0x350~0x357時，HCS=0，SA[9..0]
為其他值時，HCS=1。
②HD[7..O]和SD[7..0]設計成雙向總線。
③HR／W的產生：當PCI04進行讀操作時，HR／W=1；當PC104進行寫操作時，HR／W=0。于是：
HR／W=0，當IOR=1且IOW=0時；
HR／W=1，當IOR=0且IOW=1時。
④在DSP上將HDS2直接接低電子，HDSl在HBIL為0和HBIL為1時，分別產生一個變化沿，用以選通數據。該信號的產生是接口設計成功的關鍵。在此使用PCI04總線的系統時鐘信號SYSCLK來計數產生。詳細過程可參見VHDL代碼。
⑤PCI04總線的中斷請求信號IRQ=HINT取非。因為PC104設置為上升沿中斷。
⑥PC104總線的外部I／0準備好信號IORDY在地址選通有效過程中接HPI口的HRDY信號，地址選通無效時置為高阻態。

4 代碼設計
代碼包括接口設計的VHDL源碼和驗證的X86匯編語言代碼，代碼內容見本刊網站(WWW.dpj.com.cn)。VHDL代碼在Altera公司的開發工具QuartusII下編譯，經下載電纜下載到FPGA后，可在Debug中用匯編語言對DSP進行讀寫驗證。

結 語
本文使用VHDL語言和FPGA，設計了PC104總線與DSP之間的接口。之所以使用FPGA，是因為在系統中FPGA還包含有其他的功能設計。如果只有PC104總線與DSP之間的接口設計，使用CPLD即可完成，而不必浪費FPGA的資源。