基于PCMCIA的ARINC429通信卡設(shè)計(jì)

呂 浩

(中國(guó)航空計(jì)算技術(shù)研究所，西安710068)

1 引言

ARINC429總線是廣泛應(yīng)用在航空電子系統(tǒng)中的一種通訊總線。PCMCIA/JEIDA［1］接口是一種廣泛應(yīng)用在數(shù)碼電子產(chǎn)品和便攜式計(jì)算機(jī)上的PC卡接口規(guī)范。在航空通信系統(tǒng)中使用便攜式計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信調(diào)試，應(yīng)用FPGA來實(shí)現(xiàn)PCMCIA規(guī)范接口并完成通信，使板卡具有體積小、性能高、可靠性好的特點(diǎn)。板卡在航空領(lǐng)域應(yīng)用，方便了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。

2 設(shè)計(jì)思路

2.1 通信卡總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通信板卡功能的實(shí)現(xiàn)核心是FPGA內(nèi)部電路的設(shè)計(jì)，圖1就是FPGA內(nèi)部設(shè)計(jì)圖梗概。設(shè)計(jì)采用PCMACIA接口的16根數(shù)據(jù)線與16根地址線，可用存儲(chǔ)空間達(dá)64KB，但使用的只是其中一小部分。PCMCIA規(guī)范規(guī)定16位PC卡有兩種模式，MEMORY ONLY模式和I/O AND MEMORY模式，MEMORY ONLY模式只適用于純粹做存儲(chǔ)卡的PC卡設(shè)備。設(shè)計(jì)采用I/O AND MEMORY模式，但采用的只是MEMORY操作，這相當(dāng)于在MEMORY空間里實(shí)現(xiàn)了一個(gè)設(shè)備，這個(gè)設(shè)備用來完成PCMCIA主機(jī)和ARINC429芯片的通信。

FPGA內(nèi)部要實(shí)現(xiàn)與HOST主機(jī)連接的PCMCIA接口邏輯。PCMCIA規(guī)范將卡的存儲(chǔ)空間分為ATTRIBUTE MEMORY和COMMON MEMORY兩部分，ATTRIBUTE MEMORY主要用來實(shí)現(xiàn)卡的配置，在這里邊實(shí)現(xiàn)了卡信息結(jié)構(gòu)，以及配置寄存器，而在COMMON MEMORY實(shí)現(xiàn)了用于與DEI1016通信的設(shè)備。

在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)邏輯時(shí)，PCMCIA接口部分相當(dāng)于主設(shè)備，而內(nèi)部的寄存器、ARINC429設(shè)備都是從設(shè)備，在FPGA內(nèi)部必須實(shí)現(xiàn)對(duì)寄存器讀寫，對(duì)ARINC429通信控制信號(hào)的時(shí)序，對(duì)ARINC429接口的讀寫時(shí)序的實(shí)現(xiàn)是個(gè)重點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)從DEI1016芯片接收數(shù)據(jù)，在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了一個(gè)64*16bit的FIFO，待FIFO半滿時(shí)向PCMCIA主機(jī)發(fā)出中斷信號(hào)，主機(jī)從 FIFO中讀走數(shù)據(jù)。由于從接受ARINC429接口接收數(shù)據(jù)的時(shí)序比較復(fù)雜，采用狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)。向 DEI1016發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，由于DEI1016內(nèi)部有一個(gè)8*32bit的FIFO，PCMCIA的數(shù)據(jù)線和ARINC429的數(shù)據(jù)線都是16位的，可以直接發(fā)送，一些控制信號(hào)可以通過寄存器操作或MEMORY地址操作實(shí)現(xiàn)。

圖1 通信卡總體結(jié)構(gòu)框圖

2.2 PCMCIA 接口設(shè)計(jì)

2.2.1 PCMCIA/JEIDA 規(guī)范

PCMCIA/JEIDA是由個(gè)人電腦存儲(chǔ)卡國(guó)際組織和日本電氣工業(yè)協(xié)會(huì)提出并推廣的一個(gè)便攜式卡接口規(guī)范。其特性如下:

(1)16/32位數(shù)據(jù)線

(2)20MB/S(132MB/S)速率，寬度周期100ns

(3)支持8位/16位DMA操作

(4)兼容 PCMCIA2.1/JEIDA4.2 以及更早的版本，兼容32位卡插槽

(5)硬件探測(cè)卡電壓需求可以是5V，3.3V，或更低

(6)支持多功能卡

(7)利用卡信息結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展能力，可以確定卡功能和數(shù)據(jù)格式

2.2.2 卡信息結(jié)構(gòu)和配置寄存器的設(shè)計(jì)

卡信息結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)稱 CIS，是在卡的 ATTRIBUTE MEMORY空間里實(shí)現(xiàn)對(duì)卡進(jìn)行配置的結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于一個(gè)ROM結(jié)構(gòu)，主機(jī)通過讀它來對(duì)卡進(jìn)行配置，它必須從ATTRIBUTE MEMEORY空間的00H地址開始。它由很多的TUPLE組成，每個(gè)TUPLE有一定的結(jié)構(gòu)，由若干字節(jié)組成，這些字節(jié)信息只存在于偶數(shù)字節(jié)地址空間，每個(gè)TUPLE都固定的含有一個(gè)TUPLE特有的序號(hào)和相對(duì)于下一個(gè)TUPLE的偏移量，以及TUPLE體，表明了一定的配置信息，或者功能說明。這些TUPLE連成鏈，用結(jié)束TUPLE(序號(hào)FFH)表明鏈的結(jié)束。16位PC卡的TUPLE最多257個(gè)字節(jié):一個(gè)字節(jié)的TUPLE號(hào)+一個(gè)字節(jié)的TUPLE鏈域+FFH的TUPLE體。一個(gè)鏈最多有256個(gè)TUPLE。

必須要實(shí)現(xiàn)的TUPLE有:

CISTPL－DEVICE:5V設(shè)備信息 TUPLE，包含卡設(shè)備的信息。因?yàn)橛玫亩际谴鎯?chǔ)器操作，實(shí)現(xiàn)接口功能，設(shè)備速度是200NS，設(shè)備大小是兩個(gè)512字節(jié)的塊，共1M空間。序號(hào)是17H;CISTPL－CONFIG:給出了ATTRIBUTE MEMORY空間里配置寄存器的基地址0200H，給出了最后一個(gè)ENTRY TUPLE的序號(hào)是01H，以及配置寄存器的個(gè)數(shù)是1，就是配置選項(xiàng)寄存器，序號(hào)是1AH;CISTPL－CFTABLEENTRY:配置入口TUPLE明確了每一個(gè)需要的功能，不同的功能被不同的ENTRY TUPLE區(qū)分，它被自己的配置入口序號(hào)所標(biāo)記。在設(shè)計(jì)中選擇I/O AND MEMORY接口，使用的是MEMORY映射I/O方式實(shí)現(xiàn);中斷方式是脈沖中斷;使用的common memory空間從0300H開始，1K大小，TUPLE序號(hào)是1BH;CISTPL－VERS－1:這是卡制造商信息TUPLE，用 PCMCIA2.1/JEIDA4.2 版本，序號(hào)是15H;CISTPL－END:鏈結(jié)束TUPLE，序號(hào)是FFH。

在卡的ATTRIBUTE MEMORY空間里可有一個(gè)配置寄存器組，這些配置寄存器都是可讀可寫的，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，一些可選寄存器都沒有實(shí)現(xiàn)，只實(shí)現(xiàn)了必備的配置選項(xiàng)寄存器COR［2］。這個(gè)配置選項(xiàng)寄存器的地址是在CIS結(jié)構(gòu)中給出的，在0200H地址單元。一個(gè)8位的寄存器。結(jié)構(gòu)如下:

表1 配置選項(xiàng)寄存器

由主機(jī)寫入該寄存器的內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)第7位寫1，卡被復(fù)位，第6位寫1是電平中斷模式，0是脈沖中斷模式，后6位寫入CIS結(jié)構(gòu)中entry tuple的序號(hào)，實(shí)現(xiàn)該入口對(duì)應(yīng)的配置功能。只實(shí)現(xiàn)了一個(gè)entry tuple，是設(shè)置了一個(gè)common memory設(shè)備(也是存儲(chǔ)空間):基地址0300的1KB空間。

在接口模塊的MEMORY讀寫操作中，配置空間的CIS是只讀的，COR是可讀可寫的。16位PC卡的讀寫操作屬于異步時(shí)序，沒有同步時(shí)鐘。

2.3 ARINC429 通信設(shè)計(jì)

2.3.1 DEI1016接收數(shù)據(jù)時(shí)控制信號(hào)的實(shí)現(xiàn)

采用 DEI1016［3］和 BD429［4］來實(shí)現(xiàn) ARINC429數(shù)據(jù)的收發(fā)。HOST向DEI1016發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，由于內(nèi)部自帶 FIFO，可直接發(fā)送，但要區(qū)分發(fā)送的是WORD1 還是 WORD2，還是控制寄存器數(shù)據(jù)［5］。HOST從DEI1016接收數(shù)據(jù)時(shí)，用有限狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)讀取控制信號(hào)時(shí)序，這一過程完成一個(gè)32位字的接收，即一次DR1或DR2有效，兩次OE1或OE2為低，兩次16位字的接收，實(shí)現(xiàn)過程如圖2。其中OE1#/OE2#:讀出接收通道的數(shù)據(jù);DR1#/DR2#:該通道接收到了數(shù)據(jù);SEL:字選擇信號(hào)。

圖2 讀取控制信號(hào)狀態(tài)機(jī)

2.3.2 FPGA內(nèi)部接收FIFO設(shè)計(jì)

當(dāng)從DEI1016接收數(shù)據(jù)時(shí)，在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了一個(gè)64*16bit的 FIFO［6］，該 FIFO 從 DEI1016 接收數(shù)據(jù)并緩存，PCMCIA接口接收數(shù)據(jù)時(shí)只與FIFO進(jìn)行通信。

當(dāng)FIFO從DEI1016接收數(shù)據(jù)時(shí)，將FIFO的寫時(shí)鐘信號(hào)和ARINC429接口的通道1或2的讀信號(hào)連接在一起，用ARINC429的讀信號(hào)做FIFO的寫時(shí)鐘，而將FIFO的寫允許信號(hào)始終置為有效‘1’，當(dāng)oe1/oe2的上升沿來臨時(shí)，就對(duì)FIFO進(jìn)行寫操作。當(dāng)PCMCIA接口從FIFO接收數(shù)據(jù)時(shí)，因?yàn)橹鳈C(jī)讀信號(hào)是低有效的，所以用PCMCIA接口的讀信號(hào)下降沿做FIFO的讀時(shí)鐘信號(hào)，而將讀允許信號(hào)始終置為允許‘1’。

給FIFO的發(fā)送端口固定的地址是0300H，主機(jī)從FIFO中接收數(shù)據(jù)相當(dāng)于對(duì)0300H地址進(jìn)行讀操作。另外用 FIFO的半滿信號(hào)做中斷信號(hào)，即當(dāng)FIFO中存在32個(gè)字時(shí)。FIFO的接收數(shù)據(jù)線與DEI1016的16根數(shù)據(jù)線相連，發(fā)送數(shù)據(jù)線與PCMCIA接口的16位數(shù)據(jù)線相連。

2.3.3 寄存器設(shè)計(jì)

為了便于對(duì)一些信號(hào)的控制以及上層軟件訪問的便利，在PCMCIA規(guī)范規(guī)定的common memory空間里實(shí)現(xiàn)了一個(gè)狀態(tài)寄存器(SR)和一個(gè)控制寄存器(CR)，將一些控制和狀態(tài)信號(hào)裝入寄存器中固定的某位，以便上層軟件的控制訪問。

在common memory的0308H地址單元實(shí)現(xiàn)了一個(gè)狀態(tài)寄存器，它是只讀寄存器。第0位是TXR信號(hào)量，為1表示DEI1016內(nèi)部的FIFO是空的，可以裝入數(shù)據(jù);第1位是FPGA內(nèi)部FIFO空信號(hào)，為高表示空;第3位是FPGA內(nèi)部FIFO滿信號(hào)，為低表示滿。

在common memory的0310H地址單元實(shí)現(xiàn)了一個(gè)控制寄存器，它是可讀可寫寄存器。第0位是ENTX信號(hào)，是DEI1016發(fā)送數(shù)據(jù)允許信號(hào)，為1表示允許發(fā)送;第1位是DEI1016復(fù)位信號(hào)MR，低有效。

上層軟件在控制向DEI1016的發(fā)送緩沖區(qū)(FIFO)寫數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)先讀出SR的TXR位，F(xiàn)IFO為空時(shí)即TXR為1時(shí)才能讓主機(jī)向FIFO中寫入數(shù)據(jù)。而用CR的ENTX位控制DEI1016是否能發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)也應(yīng)該先判斷TXR，TXR為高時(shí)，即發(fā)送FIFO為空時(shí)，DEI1016是不能發(fā)送數(shù)據(jù)的，只有為低時(shí)才能發(fā)送;當(dāng)TXR為低時(shí)，也不能強(qiáng)行拉低ENTX，即發(fā)送FIFO中有數(shù)據(jù)時(shí)，不能強(qiáng)行禁止發(fā)送，因?yàn)檫@樣破壞了原有數(shù)據(jù)的完整性。

同樣可以通過 common memory中的 FIFOEMPTY信號(hào)控制主機(jī)從接收FIFO中取數(shù)據(jù);還可以寫DEI1016的復(fù)位信號(hào)。

2.4 存儲(chǔ)空間設(shè)計(jì)概括

卡剛插入筆記本卡插槽的時(shí)候，主機(jī)主動(dòng)讀CIS內(nèi)容，然后可以寫COR，進(jìn)行配置。對(duì)DEI1016操作之前，要先寫控制寄存器里的 MR信號(hào)，使DEI1016復(fù)位后，再寫入DEI1016的控制寄存器，然后才可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)操作。接收數(shù)據(jù)就是響應(yīng)中斷信號(hào)(FIFO的半滿信號(hào))，從FIFO中讀取數(shù)據(jù)，直到判斷出FIFO－EMPRY信號(hào)有效。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，要先判斷SR里邊的TXR信號(hào)，當(dāng)DEI1016里的FIFO為空時(shí)，再向FIFO里發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送總字?jǐn)?shù)不定，但不能超過DEI1016內(nèi)部FIFO的容量8*32bit，發(fā)送之前拉低ENTX，且每次是先發(fā)送字一，再發(fā)送字二，字一，字二必須成對(duì)發(fā)送，發(fā)送完后拉高ENTX，允許DEI1016發(fā)送數(shù)據(jù)。

在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)可利用的存儲(chǔ)區(qū)域概括起來如下:

表2 存儲(chǔ)區(qū)域使用表

3 結(jié)束語

介紹了應(yīng)用FPGA完成PCMCIA接口的ARINC429通信卡的設(shè)計(jì)方案和其中的難點(diǎn)，通過本次設(shè)計(jì)也為其它應(yīng)用FPGA完成PCMCIA接口的PC卡的設(shè)計(jì)提供了可借鑒方案。除了上述之外，上層應(yīng)用程序和板卡的配合也是值得注意的。

［1］趙鑫.VHDL與數(shù)字電路設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［2］PCMCIA/JEIDA，Release 7.0，1999，PC Card Standard［S］.JAPAN:PCMCIA/JEIDA，1999.

［3］DEI1016/DEI1016A/DEI1016B ARINC 429 Transceiver［EB/OL］.USA:Device Engineering Inc，2004［2008］.http://www.icpdf.com.

［4］BD429 ARINC 429 TRANSCEIVER［EB/OL］.USA:Device Engineering Inc，2004［2008］.http://www.icpdf.com.

［5］賓辰宗.基于MCF5206的ARINC429通信板卡的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)［DB/OL］.2005［2008］.http://www.lunwentianxia.com.

［6］陳曦.PCMCIA 接口 IP設(shè)計(jì)［DB/OL］.2004(2004)［2008］.http://www.systemandchip.com.