（计算机软件与理论专业论文）基于pci总线的控制分组件测试系统的硬件研制.pdf

摘要 ； ；= = ；= ；j ；i = 摘要 本论文以国家某重点型号工程中控制分组件测试系统的研制为背景，探讨了如何采 用e d a 方法，并结合f p g a 器件，设 - t - * u 实现基于p c i 总线的符合测试系统要求的各 种接口扳的方法。 控制分组件是某飞行器的核i i 部件，而控制分组件测试系统是为控制分组件研制测 试设备。该系统在总控计算机的控制下，根据测试要求向控制分组件实时发送各种激励， 并从其输出端采集数据，通过将接收到的数据与发送的数据进行比较来测试控制分组件 是否正常运作。 首先，本文叙述了控制分组件的组成及原理，确定了测试系统中所需的各种p c i 板 卡及其性能指标；然后，本文详细介绍了作为测试系统基础的p c i 局部总线技术，并提 出了设计p c i 接口逻辑的三种方法。在此基础上，本文阐述了采用m a x + p l u s i i 、 a c t i v e h d l 等e d a 工具并结合a l t e r a 公司的f l e x i o k 2 0f p g a 器件进行自顶向下 的p c i 接口逻辑设计，并对其进行时序仿真和功能测试。 其次，本文重点讲述了控制分组件测试系统中各种接口板的设计与具体实现。本文 分析了测试系统中三块接口板的组成、功能，对每块接口板的内部逻辑进行详细设计， 并根据其资源要求进行器件选择然后使用p r o t e l 工具进行印制板的制作。另外，本文 还介绍了各种接口板的调试方法，分析了三块板卡f p g a 资源的利用率，并给出了最终 的设计结果。 最后，本文指出了当前研制工作中不足之处和需要进一步完善的地方。 目前，控制分组件测试系统已经投入运行，并具有相当的实用价值。 关键词：p c i 局部总线技术m a x + p l u s l i a c t i v e - h d lf l e x i o k 2 0f p g a 自项向下的设计方法 e d ap r o t e l 西北工业大学硕士学位论文 基于p c i 总线的控制分组件测试系统的硬件研制 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o nr e p r e s e n t st h ed e s i g na n dh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o no fat e s ts y s t e mo ft h e c e n t r a lc o n t r o lc o m p o n e n ti nam i l i t a r yd e v e l o p m e n tp r o j e c tw i t hp c it e c h n o l o g y t h ec e n t r a lc o n t r o lc o m p o n e n to rt h ec o n t r o l l e ri st h ec o r ea n dh e a r to fa l la i r c r a f t ，a n dt h et e s t s y s t e mw ed e v e l o p e di s u s e dt ot e s ta n dv e r i f yt h ec o n t r o l l e r s oi ti se x t r e m e l yi m p o r t a n t w h e ni nt e s tm o d e ，t h et e s t s y s t e ms e n d sas e r i e so fs t i m u l u st ot h ec o n t r o l l e ru n d e rt h e c o n t r o lo fac o m p u t e r , a n da l s os a m p l e si t so u t p u t sw h i c hw i l lb es e n tt ot h ec o m p u t e r t h e c o m p u t e rc a nj u d g et h ec o r r e c t n e s so ft h ec o n t r o l l e rb yc o m p a r i n gt h es e n td a t aa n dt h e r e c e i v e dd a t ao f t h et e s ts y s t e m f i r s t l y , t h ec o m p o s i t i o na n dp r i n c i p l e so f t h et e s ts y s t e ma r ei n t r o d u c e di nt h i st h e s i s ，a n dt h e p c ie x t e n s i o nb o a r d sa n dt h e i rf u n o t i o n sa r ec o n f i r m e d t h i st h e s i sd e s c r i b e sad e t a i l e d d e v e l o p i n gp r o c e s so f p c ii n t e r f a c ei m p l e m e n t a t i o n i n t h i sp r o c e s s ，s o m ek e y t e c h n o l o g ya n d m e t h o d sa r ea d o p t e d l i nt h ed i s s e r t a t i o n ，f o re x a m p l e ，t o p - d o w nm e t h o d s ，f p g a & c p l d t e c h n o l o g y i na d d i t i o n ，s o m ep r e v a l e n te d a t o o l ss u c ha sm a x + p l u s i i ，a c t i v e - h d l ，p r o t e l a n ds oo n ，a r ea l s om e n t i o n e di nt h i sp a p e l s e c o n d l y , t h ed i s s e r t a t i o nd e s c r i b e st h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fp c ie x t e n s i o nb o a r d si n t h et e s ts y s t e mi nd e t a i l i nt h i sp a n ，t h ep a p e re x p l a i n st h ec o m p o s i t i o n ，f u n c t i o n s ，i n t e r n a l d e s i g na n ds i m u l a t i o no fe a c hp c ib o a r d a c c o r d i n gt ot h er e s o u r c er e q u i r e m e n t so fp c i e x t e n s i o nb o a r d s ，s o m es p e c i f i cd e v i c ei ss e l e c t e d ，a n ds ot h ef i t t i n ga n dc o n f i g u r a t i o no ft h e s e l e c t e dd e v i c ec a nb ec a r r i e dt h r o u g h i nt h ee n d ，t h ed e b u g g i n gm e t h o d sa n dt h ed e s i g n r e s u l t sa r ep r o v i d e di nt h et h e s i s l a s t l y , s o m ed i s a d v a n t a g e sa n di m p r o v e m e n t s o f t h et e s ts y s t e ma r es u m m a r i z e di nt h ea r t i c l e a tt h ep r e s e n tt i m e ，t h et e s ts y s t e mh a sb e e ni no p e r a t i o nf o rq u i t eat i m e ，a n dp r a i s eo ft h e r e l i a b l e q u a l i t i e sc a n b e h e a r d i na w o r d ，t h e t e s ts y s t e m w e d e v e l o p e d i so f g r e a t v a l u e k e yw o r d s ：p c il o c a lb u st e c h n o l o g y m a x + p l u s1 i f p g a t o p - d o w nd e s i g nt e c h n o l o g ye d a a c t i v e - a d lf l e x l 0 k 2 0 p i o t e l 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题来源及意义 控制分组件测试系统的研制来源于国家某重点型号工程项目，目的是为该工程中飞 控系统的控制分组件研制测试设备。该测试设备在总控计算机的控制下，根据测试要求 向控制分组件实时发送各种激励，并从其输出端采集数据，通过将接收数据与发送数据 进行比较以测试控制分组件是否正常工作。 控制分组件是某飞行器的核心部件，是整个系统的心脏，其功能的正确与否决定了 整个飞行器是否正常运作。而控制分组件的测试系统又是为了测试控制分组件的正确性， 因此，其意义极其重要。 1 2 国内外同类可利用资源开发状况 控制分组件属于专用设备，目前还没有配套的行之有效的专用测试设备。对于测试 设备中所需用到的一些板卡，如电源监控板、并行数据记录板等，国内外均有一些可利 用的产品。但这些产品中都或多或少地存在着这样或那样的问题，主要是适应性问题。 有些扳卡市场上有多种现成的产品，其中也有一些符合测试系统要求的产品，但其硬件 的维护和软件的升级均有时间限制，尤其是当测试系统的操作平台发生变化时，产品供 应商很可能无法提供相应的设备驱动程序，这些无疑均影响到测试设备的使用。 在测试系统中，电源监控板需要有模拟量输入和继电器输出两种功能。而在一般产 晶中，模拟量输入属于数据采集类板卡，继电器输出属于数字量f o 类板卡。若用一般 产品实现电源监控板的功能，就需要使用数据采集类板卡和数字量f o 类板卡各一块。 如此实现，对设备驱动程序的编制和硬件板卡的规整性均有很大影响。 而b m k 接口板这类专用接口板。市面上根本没有现成的产品。 基于以上原因，我们决定自行研制所需的硬件板卡。这样做的好处是： 【l 】按功能划分硬件板卡分工明确，易于维护： 【2 】 易于编制设备驱动程序； 【3 】整个测试系统板卡数量少，布局合理，可靠性高； 【4 】可提供长期的软硬件维护服务。 西北工业大学硕士学位论文基于p c i 总线的控制分组件测试系统的硬件研制 1 3 研制测试系统所需的关键技术 在控制分组件测试系统的研制过程中使用了四种关键技术，即：p c i 局部总线技术、 自上而下的e d a 技术，f p g a 与c p l d 技术以及v h d l 语言编程技术。具体原因如下： 【1 】采用高速率、高可靠性、即插即用的p c i 局部总线技术 随着计算机技术的发展，微机中低性能的i s a 总线标准即将被淘汰，原有的i s a 板 p 将无法在今后的新型微机中使用。与此同时，用户对高速高性能板卡的需求将会越来 越高，而技术成熟的p c i 局部总线具有高速率、自动配置、共享中断、独立于处理器、 低功耗、扩展性好、赢可靠性等优点。因此就当前而言。只有开发符合p c i 标准的板 # ，才能适应未来的发展需要。 【2 】 采用自上而下( t o p d o w n ) 的e d a 设计方法 传统的硬件系统采用的是自下而上( b o t t o m u p ) 的设计方法，这种方法的仿真与 调试都在设计后期进行，因而对设计人员有较高的要求。一旦考虑不周就会引起设计 同溯，使得设计周期大大增加。另外，这种方法的主要设计文件是电路图，因此不利于 归档、保存和维护，同时阅读、修改和使用也非常不便。而自上而下( t o p d o w n ) 的设 计方法从系统的整体出发，自上而下逐步将问题细化，使得在设计初期就能及早发现问 题，这样大大降低了设计费用。明显缩短了设计周期。同时，t o p d o w n 的设计方法可 使设计者在设计初期将精力集中于电路的功能上，而不去关心电路实现的具体细节。 【3 】采用f p g a 与c p l d 技术 f p g a 与c p l d 是在p a l 、g a l 基础上发展起来的两种技术。但和p a l 、g a l 相 比，f p g a 与c p l d 规模较大，集成度高。并且和p r o m 配合使用时用户可以反复编程、 擦除，或在外围电路不变的情况下使用不同的e p r o m 即可实现不同的功能，这给开发 者带来很大方便。同时，采用f p g a 与c p l d 器件花费低，电路性能可靠，设计周期短， 易于开发。 【4 】采用已成为i e e e 工业标准的v h d l 语言进行编程 新兴的v h d l ( v e r yh i g hs p e e dh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 描述能力强，它支 持自上而下和基于库( l i b r a r y - b a s e d ) 的设计方法，还支持同步电路、异步电路、f p o a 与c p l d 以及其它随机电路的设计，其范围之广是其它h d l 语言所不能比拟的。另外， v h d l 的编程与工艺无关，工艺更新时无需修改设计，而只需改变相应的映射工具即可。 目前，v h d l 语言己成为一种i e e e 的工业标准。其设计结果便于复用和交流。 1 4 本论文的研究内容和预期目标 控制分组件测试系统的研制包括硬件设计和软件编制两部分。硬件设计包括测试系 2 第一章绪论 统中各分离板卡的功能划分、内部逻辑设计、原理图与p c b 图制作、仿真与调试、硬件 验证以及各板卡之间的联调等：软件设计则包括操作系统平台选择、测试软件人机界面 的定义与设计、设备驱动程序的编制以及其它一些上层应用程序等。 在该系统中，本人负责硬件接口板的设计、制作与调试。整个系统的硬件组成如下： 【l 】b m k 接口板一块： 【2 】并行数据记录板一块； 【3 】a d 转换接口板一块： 4 1电源一个； 【5 】电源监控板一块。 该课题有合同任务，因此最后要实现测试系统的全部功能。但是由于市面上已经有 技术成熟并符合精度要求的a d 转换接口板，所以，为了节省时间，我们从生产厂家购 买了a d 转换接口板。另外，由于项目时间紧，工作量大，故电源监控板由本人与其他 成员合作，本人负责p c i 接口逻辑与双口r a m 的访问部分。 综上，在该测试系统的研制过程中，本人所完成的工作如下： 【l 】独立完成了b m k 接口板的设计： 1 2 1独立完成了并行数据记录板的设计； 【3 】完成了电源监控板p c i 接口逻辑及访问双口r a m 逻辑的设计： 1 4 独立完成以上板卡原理图与p c b 图的绘制； 【5 】对以上板卡分别进行功能仿真与调试： 6 1进行系统联调，完成单板测试与系统整体测试。 总之，本人要确保所设计的板卡能完成相应的功能，各板卡之间衔接正确，协调工 作共同实现测试系统的整体功能。 1 5 论文结构安排 论文的各章节安排如下： 第一章 绪论。介绍了本论文的课题来源、研究意义、国内外研究现状、本论文 的研究内容、研究目标以及研制过程中所需的关键技术。 第二章 控制分组件测试系统概述。本章介绍了控制分组件测试系统的硬件组成、 功能、测试原理、所需的测试项目以及各接口板的性能要求与技术指标。 第三章 测试系统的设计方法与关键技术。本章讨论了研制测试系统所用的e d a 方法和各种关键技术，如v h d l 语言编程技术、f p g a 和c p l d 技术、 p c i 局部总线技术等。最后，本章还介绍了测试系统中所采用的 m a x + p l u s i i 、a c t i v e - h d l 和p r o t e l 等e d a 设计工具。 3 西北工业大学硕士学位论文基于p c i 总线的控制分组件测试系统的硬件研制 第四章p c i 接口逻辑的设计。本章分析了p c i 接口逻辑的组成和实现途径，并 着重介绍了用p l d 实现p c i 接口逻辑的整个过程。最后，本章给出了 p c i 接口逻辑的仿真波形与调试方法。 第五章测试系统硬件接口板的研制。本章依次介绍了测试系统中b m k 接口板、 并行数据记录接口板和电源监控板的组成和功能，并分析了它们的内部 结构，然后详细阐述了三种接口板的逻辑设计过程。另外，本章还给出 了测试系统的设计结果，并对各板卡f p g a 资源的利用率进行分析比较。 第六章总结与展望。本章总结了整个论文所做的工作与设计中存在的不足之处， 指明了下一步要进行的工作。 4 第二章控制分组件测试系统概述 第二章控制分组件测试系统概述 控制分组件测试系统用来模拟控制分组件的外部环境，对控制分组件的各个输入输 出端口进行功能测试，以判断其正确性。首先，本章介绍了控制分组件测试系统的组成， 以便读者对该测试系统有个粗略了解，然后说明了其主要功能，最后本章详细讲述了测 试系统各组成部分的技术指标。 2 1 测试系统的硬件组成 控制分组件测试系统的硬件部分由一台总控计算机和四块硬件板卡( b m k 接口板、 并行数据记录板、a d 转换接口板及电源监控板) 组成，其内部结构如图2 1 所示。 图2 1 控制分组件测试系统的硬件组成 图2 1 中各部分的功能与职责如下： 【1 】 控制分组件( 又称被测产品) 包含两部分；第一部分( 又称l # 板) 用于接 收外来信号进行控制计算，输出的为数字信号( t t l 电平) ；第二部分( 又 称2 # 板) 则将第一部分的输出结果转换成模拟量，用于实时控制。 【2 】 b m k 接口板负责在总控计算机的控制下向产品发送各种测试向量，以便对 产品进行测试。由于该板卡本身的正确性直接影响到测试工作的正常进行， 所以该接口板应需具有自检功能。 【3 】 并行数据记录板在适当时机截获1 # 板发出的有效数据，然后将其送回总控 5 西北工业大学硕士学位论文基于p c i 总线的控制分组件测试系统的硬件研制 计算机，通过对总控计算机发送的数据和记录板截获的数据进行对比，可以 确定l # 板的正确性。这种单个板卡的分离测试称为单板测试。另外，由于 并行数据记录板处于l # 板和2 # 板中间。所以在截获数据之后它应能模 拟l # 扳向2 # 板发送数据，以便对2 # 板进行单扳测试。同样道理，该接口 板也应具有白检功能。 【4 1a d 转换接口板负责将产品的输出结果进行模数转换，并将其转换结果送入 总控计算机。总控计算机通过比较该转换结果与b m k 接口板所发送的数据， 可以确定接个被测产品的正确性。 【5 】由于测试系统还需向被测产品提供电源，而不稳定的电源会损坏被测产品， 因此，必须采取相应的措施对电源进行监控。该系统中所设计的电源监控板 就是要对电源进行实时监测，若发现供电电压或供电电流超过给定的范围， 则自动切断电源，同时启动报警装置，从而有效地保护控制分组件不受损坏。 2 2 测试原理 当处于测试模式时，b m k 接口板在总控计算机的控制下向被测产品发送数据，1 # 板首先接收该数据并进行运算处理，然后将其运算结果送往2 # 板。2 # 板接收到1 # 板 发送的数字量后进行数模转换，其输出的模拟量可直接控制飞行器的运作。在此过程中， 并行数据记录板在数据有效期内采样1 # 板的输出结果，并将其送回总控计算机，总控 计算机通过比较b m k 接口板发送的数据和并行数据记录板截获的数据，即可判断l # 板的正确性。而a d 转换接口板则接收2 # 板的输出结果，并将其输出的模拟量转换成 数字量后送回到总控计算机。同样，通过比较并行记录板采样到的数据和a d 接口板的 转换结果，可以断定2 # 板的正确性。 完成以上单板测试后，总控计算机可以直接比较b m k 接口板发送的数据和a d 转 换接口扳的转换结果，即可确定整个被测产品的正确与否。由于各种数据的比较运算均 可通过总控计算机中的上层软件自动进行，所以，该测试系统具有自动测试功能，故又 称为控制分组件自动测试系统。 2 3 测试项目 如前所述，控制分组件测试系统用来模拟控制分组件的外部环境，对控制分组件的 6 第二章控制分组件测试系统概述 ； ；= j ；= _ ；= ；= = ；# ； 各个输入输出端口进行测试，以判断其正确性。测试系统所能进行的测试项目包括： 【l 】b m k 接口板的正确性测试； 【2 】并行记录接口板的正确性测试； 【3 】电源监控板的正确性测试； 【4 】控制分组件b m k 接口及译码电路的正确性测试( 1 # 板测试) ； 【5 】控制分组件模拟量输出的正确性测试( 2 # 板测试) ： 【6 l控制分组件自检电路的正确性测试； 【7 】控制分组件y k 、c x 信号产生电路的正确性测试。 此外，控制分组件测试系统的功能还包括为被测产品提供电源，并对所提供的+ 2 7 v 、+ 1 2 v 、一1 2 v 电源进行实时监控。 2 4 测试系统核心模块的功能 在测试系统中，b m k 接口板、并行数据记录板、a d 转换接口板和电源监控板这四 大板卡构成了测试系统的核心。下面简述一下其各部分的性能要求与技术指标。 2 4 1 b m k 接口板的性能要求与技术指标 b m k 接口板采用专用的信号传输协议，能够完成多路通道多字节数据的发送和自 动接收功能。其具体的功能要求与技术指标如下： 【1 】两路通道多字节数据的发送功能( 采用三极管阵) ； 【2 】两路通道多字节数据的自动接收功能( 采用专用光隔) ： 【3 】接收数据时可区分地址、数据高字节、数据低字节以及通道标志信息： 4 1接收数据时采用f i f o 缓冲空间； i s f f o 不空时可向p c 机发中断请求信号： 【6 】可使用外部专用插头进行接口板的自检。 2 4 2 并行数据记录板的性能要求与技术指标 根据测试系统的要求，并行数据记录板应具有以下功能： 【l l模拟2 # 板的d a 时序记录9 踌片选输入信号； ， 西北工业大学碗士学位论文 基于p c i 总线的控制分组件测试系统的硬件研制 - ：高；：譬；= = ：畜薯= ；譬；荨昌掌；高宣；昌譬；# ；譬= t 2 模拟2 # 板的d f a 时序记录1 l 路数据输入信号： 【3 】记录1 # 板+ 1 2 v 信号d t 、d 2 的状态： 1 4 产生两路+ 2 7 v 的y k 、c x 输出信号( 用于2 # 板单扳钡4 试) ； 【5 】模拟l # 收产生9 路片选输出信号( t 丁l 电平) ； 【6 l模拟i # 板产生1 l 路数据输出信号( t t l 电平) ； 【7 】模拟l 群板产生2 路+ 1 2 v 的d 1 、d 2 输出信号： 【8 】记录+ 2 7 v 信号y k 、c x 的状态( 用于y k 与c x 的自检) 。 2 4 3 a i d 转换接口板的性能要求与技术指标 根据测试系统的要求，a d 转换接口板应具有以下功能； i l 】1 4 路模拟信号输入； 【2 l1 6 位分辨率； 【3 】每路3 0 k h z 采样速率； 1 4 l适合不同模拟电压输入量程：一6 v + 6 v 、一5 v 一十5 v 、一1 0 v 4 - 1 0 v 、 0 5 5 v 、0 - - 1 0 v 。 2 , 4 4 电源监控板的性能要求与技术指标 根据测试系统的簧求，电源监控板应具有以下功能： 【l 】三跆电源监控：+ 2 7 v 、+ 1 2 v 、一1 2 v ； 【2 】a d 转换精度 5 ； t 3 】【作电压、工作电流的检测显示； 【41电压、电流闯值的可编程设置； 【5 】过压、过流的自动断电保护： 【6 】过压、过流报警装置，并以中断方式通知主机 7 1通电时间记录。 2 5 本章小结 在论述控制分组件测试系统的具体实现之前，本章首先简要介绍了测试系统的硬 3 第二章控制分组件测试系统概述 件组成，即：b m k 接口板、并行数据记录板、a d 转换接口板和电源监控板四块板卡和 一台符合用户需求的工控机。另外，测试系统还须向被测产品提供电源。然后在此基础 上本章又阐明了测试系统的运作原理以及各板卡之间的控制关系，以便读者能对测试系 统有更深入的了解。最后，本章介绍了测试系统中所要进行的测试项目以及各大功能模 块的性能要求与技术指标。 有了以上叙述，在下一章里，作者将陆续介绍研制控制分组件测试系统硬件部分所 用的设计方法与关键技术，例如：p c i 局部总线技术、e d a 设计方法、v h d l 语言编程 技术以及f p g a 与c p l d 技术等。 9 西北工业大学硕i ：学位论文基于p c i 总线的控制分组件测试系统的硬件研制 第三章测试系统的设计方法与关键技术 如前所述，控制分组件测试系统的硬件部分包括四块板卡，即：b m k 接口板、并 行数据记录板、a d 转换接口板和电源监控板。根据用户要求，这些接口板均为p c i 扩 展扳。但由于p c i 规范的严格复杂以及其功能的强大，使得软硬件实现上的难度大火增 加。硬件上要采用大容量、高速度的f p g a 或c p l d 芯片来实现p c t 总线复杂的功能。 而在设计方法上，传统的设计方法由于工作效率低、开发周期长、上市时间慢、生产成 本高、开发人员工作量大而且还需承担相当大的设计风险，因此已不能适应时代的需要。 而新兴的e d a 设计方法，使得设计师们摆脱了大量具体的重复工作，而把精力集中于 创造性的方案与概念构思上，从而极大地提高了设计效率，缩短了产品的研发周期。e d a 方法的出现给电子系统设计带来了革命性的变化，它代表了未来电子产业的发展方向。 鉴于上述原冈本课题在研制控制分组件测试系统时采用e d a 设计方法和多种关 键技术，例如：f p g a 与c p l d 技术、v h d l 语言编程技术等。另外，由于测试系统中 各种接口卡均为p c i 扩展板，因此，p c i 局部总线技术也是本课题必不可少的关键技术。 本章首先详细说明了测试系统采用的设计方法与各种关键技术，然后介绍了目前较为流 行的m a x + p l u si i 、a c t i v e h d l 和p r o t e l 等e d a 设计工具。 3 1 e d a 技术及其优点 随着电子技术的飞速发展，当前数字系统的设计正朝着速度快、容量大、体积小、 功耗低的方向发展。推动该潮流迅猛发展的引擎就是日趋完善的e d a 技术。e d a 技术 是以人规模可编程逻辑器件为设计载体，以硬件描述语言( h d l ) 为系统逻辑描述的主 要表达方式，以计算机、大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验开发系统为设计工具， 通过有关的开发软件自动完成用软件方式设计的电子系统到硬件系统的逻辑编译、逻 辑化简、逻辑分割、逻辑综合与优化、逻辑布局布线、逻辑仿真，直至对于特定目标芯 片的适配编泽、逻辑映射、编程下载等工作，最终形成集成电子系统或专用集成芯片的 一门新技术。 与传统的电子设计技术相比，e d a 技术的优越性主要表现在： 【1 】缩短设计周期 采用e d a 技术，设计人员无需通过门级原理图描述电路，而是针对设计目标进行 功能描述。由于摆脱了电路细节的束缚，设计人员可以将精力集中于创造性的方案与概 念构思上一且这些方案或概念构思以高层次描述的形式输入计算机后，e d a 系统就能 1 0 第三章测试系统的设计方法与关键技术 ；= ；j ；= = ；= ；= = = = j ；= = = 以规则驱动的方式自动完成整个设计，大大缩短了产品的研发周期。 【2 】节省设计费用 e d a 技术使电子工程师在实际的电子系统产生之前就可以采用较为精确的模型，全 面地了解系统的功能特性和物理特性，实现各种分析，从而将开发过程中出现的缺陷消 灭在设计阶段，不仅缩短了开发时间，也降低了开发成本。 【3 】设计资源共享 在e d a 系统中，成熟的单元设计、各种模型及其相关参数均存放在数据库文件中。 由于计算机存储量大、数据处理能力强，所以，在完成电路设计后，可以很方便地生成 各种需要的数据文件与报表文件，用户可以直接共享这些设计资源。 1 4 验证电路方案设计的正确性 e d a 技术可用于系统方案设计或某种新理论、新构思的方案设计，进而对构成系统 的各种电路结构进行模拟分析，以判断电路结构设计的正确性及其性能指标的可实现性。 【5 】实现电路特性的模拟测试 电子电路的设计过程中，大量的工作就是各种数据测试及特性分析。采用e d a 方 式可以方便地实现全功能测试，也可以直接模拟各种恶劣的工作环境及各种极限条件下 的电路特性而不损坏器件或电路，比传统的设计方式要经济的多。 总之，利用e d a 技术进行电子系统的设计实质上就是用软件的方式设计硬件，它 最突出的优点就是软件方式设计的系统到硬件系统的转换是由相关的开发软件自动完成 的，设计过程中可使用有关软件进行各种仿真，系统可现场编程、在线升级，整个系统 可集成在一个芯片上，体积小，功耗低，可靠性高。正是这些优点，使得e d a 技术成 为现代电子设计的发展趋势。 3 2 t o p - d o w n 的设计方法 传统的硬件系统采用的是自下而上( b o t t o m - u p ) 的设计方法，这种方法的仿真和 调试都在设计后期进行，因而对设计人员有较高的要求，一旦考虑不周，就会引起设计 网溯，使得设计周期和开发成本大大增加。另外，它的主要设计文件是电路图，不利于 归档、保存和维护，同时阅读、修改也非常不便。随着电子工业的飞速发展，这种方法 显然已不能适应新的形式。为此，引入了一种高层次的设计方法，即自上而下( t o p - d o w n ) 的设计方法。 t o p - d o w n 的设计方法从系统的整体出发，自上至下逐步将问题细化，使得在设计 初期就能及早发现问题，这样大大降低了设计费用并缩短了设计周期。同时，t o p d o w n 的设计方法可使设计者在设计初期将精力集中在电路的功能上，而不去关心电路实现的 西北工业大学硕上学位论文 基于p c i 总线的控制分组件测试系统的硬件研制 一；= = ；=；= = = 墨；盏盏；= = = 苗；盏； 具体细节。具体地说，t o p d o w n 设计方法具有以下优点： 【l1提高了设计速度缩短了产品的开发周期 由于高层次设计的描述采用行为级描述语言，这种语言不仅易于描述，而且简洁易 一障，一般来说行为级h d l 大约仅为相同功能r t l 级h d l 代码的十分之。这可以 明显地提高设计速度缩短设计周期，并且使得非集成电路专家可直接参与从行为描述 到芯片设计的各项i ：作，从而可使更多的人员同时工作，加速了整个设计进程。 【2 】有效地保证了设计质量，降低了设计成本 高层次设计中行为描述通常要比低层次的结构描述简洁而且易于编写和理解这就 相应地降低了设计的复杂性，减少了描述错误，且容易检查和修改。另外，由于描述层 次的提高而大大缩短了仿真时间，并使设计中出现的问题能在早期得到发现，降低整体 设计的成本。 【3 】优化产品设计方案 基丁行为级的设计可以优化系统的体系结构，可寻求最优或较优的设计方案，并快 速评估多种结构问的性价比。 【4 】与工艺无关，提高了设计的再利用性 在高层次设计中，由于v h d l 语言具有与工艺无关的特性，因而在行为和结构级可 不必关心与1 ：艺相关的细节，这就为设计的再利用性提供了条件，也为今后更快地设计 出新产品创造了条件，即使半导体厂商的工艺改变，也只需改变相应的映射工具，重新 迸行综合即可。 【5 】大大提高了设计的可交流性 在高层次设计中，用户一般以v h d l 语言描述作为设计的规范说明和需求说明，在 经高层次综合、用户修改、验证之后，仍可将结果转换为v h d l 语言的描述方式，从而 可以实现设计过程的自动文档化。 【6 】提高了产品的可测试性 通过高层次设计的产品，可降低设计的复杂性和故障覆盖率，提高产品的可测试性。 由于t o p d o w n 的设计方法具有诸多传统设计方法所无可比拟的优点，所以在研制 控制分组件测试系统时本人也采用这种方法。首先，本人从测试系统的整体出发，分析 系统的各项功能，然后依据功能划分模块，每个功能用一块p c i 扩展板来实现。然后， 就每块p c i 扩展板，同样也进行功能划分，再对每个子模块进行行为级设计和功能仿真。 直到各部分功能正确并联调之后才进行硬件实现。这样将问题逐渐细化，保证在行为级 上仿真正确之后再考虑电路的实现细节。减少了工作量，降低了设计的复杂性。 1 2 第三章测试系统的设计方法与关键技术 3 3 v h d l 语言编程技术 在数字系统设计中所采用的硬件描述语言h d l ( h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 可 以描述硬件电路的功能、信号的连接关系及定时信息等，它比电原理图更能有效地表达 硬件电路的特征。目前，各大a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i c i n t e g r a t e d c i r c u i t ) 芯片制造商 都相继开发了用于各1 3 目的的h d l 语言，但是大多数都未标准化和通用化。唯一被公 认的硬件描述语言之一是美国国防部开发的v h d l ( v e r yh i g hs p e e dh a r d w a r ed e s c r i p t i o n l a n g u a g e ) 语言，它出现于8 0 年代，并于1 9 8 7 年1 2 月作为i e e e s t d 一1 0 7 6 标准公布 开发。目前，各主要的工具制造商都支持v h d l 标准，许多高技术公司甚至把v h d l 作为数字系统的唯一描述语言。这些无疑都给v h d l 语言的进一步推广和应用创造了良 好的环境。作为一种电路设计高级语言，v h d l 有着其它硬件描述语言所无与伦比的优 越性，具体表现在以下几个方面： 【1 】设计技术齐全、方法灵活、支持广泛 v h d l 语言不仅支持t o p d o w n 、b o t t o m - u p 、混台和基于库( l i b r a r y b a s e d ) 的设 计方法，而且还支持同步电路、异步电路、f p g a 以及其它随机电路的设计。其范围之 广是其它h d l 语言所不能比拟的。 【2 】系统硬件描述能力强 v h d l 语言具有多层次描述系统硬件功能的能力，可以从系统的数学模型直到门级 电路进行描述。另外，高层次的行为描述可以和低层次的r t l 描述与结构描述混合使用。 v h d l 语言能进行系统级的硬件描述，这是它最突出的一个优点。其它h d l 语言。例 如v e r i l o g 等只能进行i c 级、p c b 级描述，而不能对系统级的硬件很好地进行描述。 【3 】可以与工艺无关编程 在用v h d l 语言设计系统硬件时，没有嵌入与工艺有关的信息。与大多数h d l 语 言不同。采用v h d l 语言设计时，当门级或门级以上层次的描述通过仿真验证以后，再 刚相应的工具将设计映射成不同的工艺。这样。在工艺更新时，无需修改原设计程序， 只需改变相应的映射工具即可。由此可见，无论修改电路还是修改工艺，两者相互之间 不会产生什么不良影响。 4 1v h d l 语言标准、规范，易于共享和复用 由于v h d l 语言已作为一种i e e e 的工业标准，所以其设计结果便于复用和交流。 反过来这也更进一步推动v h d l 语言的普及与完善。另外，v h d l 语言的语法严格，其 风格类似于a d a 语言，给阅读和使用都带来极大的方便。 由于v h d l 语言具有以上优点，所以该课题将它作为描述逻辑的主要表达方式。 西北工业大学硕士学位论文 基于p c i 总线的控制分组件测试系统的硬件研制 3 4 f p g a 和c p l d 技术 可编程器件p l d 经过几年的发展，芯片规模、密度和性能都有了惊人的变化。可编 程逻辑器件成为计算机应用、通信技术、自动控制、仪器仪表领域广受欢迎的器件，是 科学实验、样机试制、小批量生产的最佳选择，是a s i c 芯片设计的实现载体之一。而 作为p l d 的主流产晶，f p g a 和c p l d 更是物美价廉，应用广泛。本节就f p g a 和c p l d 技术做一简要介绍。 3 4 1 f p g a 与c p l d 的特点 现场可编程门阵列( f p g a ：f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ) 和复杂可编程逻辑器件 ( c p l d ：c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 是实现e d a 的基础，是e d a 思想的 最终表述手段，它们同属于近年来发展迅速的大规模可编程专用集成电路。同以往的 p a l 、g a l 相比，f p g a 与c p l d 的规模较大，适合于时序、组合等逻辑电路的设计， 它们可以替代几十甚至上百片通用i c 芯片。一般来说，f p g a 与c p l d 具有以下优点： 【1 】集成度高，容量大 随着超大规模集成电路( v l s hv e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t e dc i r c u i t s ) 工艺的不断提 高单一芯片内部可以容纳上百万个晶体管，f p g a 与c p l d 芯片的规模也越来越大， 如a l t e r a 最新的a p e xi i 系列多达2 0 0 多万门逻辑，可嵌入3 2 位c p u 软核，真正实现 系统集成( s o c ：s y s t e mo nc h i p ) 。 【2 】花费低廉 f p g a 与c p l d 芯片在出厂之前都经过百分之百的测试，不需要设计人员承担投片 风险和费用，设计人员只需在实验室里就可以通过相关的软硬件来完成芯片最终的功能 指定，因此研发费用相对较低。此外，f p g a 与c p l d 器件的现场可编程技术使可编程 器件在使用上更为方便，并大大缩短了设计周期，减少了设计费用，降低了设计风险。 【3 】可重复编程 f p g a 与c p l d 芯片和p r o m 配台使用时，用户可以反复编程、擦除或在外围电路 不动的情况下用不同的p r o m 就可以实现不同的功能。 4 1设计周期短 f p g a 与c p l d 软件包中不但有各种输入工具和仿真工具，而且还有版图设计工具 和编辑器等全线产品，电路设计人员在很短时间内就可完成电路的输入、编译、优化和 仿真，直至最后芯片的制作。 【5 】易于开发 1 4 第三章测试系统的设计方法与关键技术 电路设计人员在使用f p g a 与c p l d 进行电子设计时，不需要具备专门的i c 深层 知识，e d a 软件大多简单易用，可以使设计人员集中精力进行电路设计a 正是基于以上原因，在控制分组件测试系统的研制过程中，我们采用了f p g a 与 c p l d 技术。也只有采用这种技术，才能使设计成本减到最小，研发周期减到最短。 3 4 2 f p g a 与c p l d 的比较与选型 在测试系统的具体实现之前，只有弄清f p g a 与c p l d 的内部结构和性能差异，才 能更科学地进行芯片选择。本小节首先对f p g a 和c p l d 进行比较，然后以此为根据， 合理地选用器件，以便最大限度地提高测试系统的性价比。 3 4 2 1 f p g a 与c p l d 的比较 f p g a 的结构类似于高密度高集成度的标准门阵列，而c p l d 则是由g a l ( g e n e r i c a r r a yl o g i c ) 发展起来的，其主体结构仍是与或阵列。由于二者具有相似的集成度和易 用性，所以f g p a 和c p l d 并驾齐驱，成为可编程器件发展的两大主流。同时，二者结 构上的差异也决定了f p g a 和c p l d 在性能上各有所长，其差异主要表现在： 【1 】 集成度不同 f p g a 可以达到比c p l d 更高的集成度，同时也具有更复杂的布线结构和逻辑实现。 f p g a 颗粒较细，即以一个d 触发器为核心的逻辑宏单元为一个颗粒；c p l d 颗粒较粗， 它是以多个宏单元构成的逻辑宏块的形式存在的。 2 1 灵活程度不同 f p g a 主要通过改变内部的布线来编程 逻辑功能来编程；f p g a 可在逻辑门下编程 程上f p g a 比c p l d 更灵活， 【3 】速度和延迟可预测性不同 而c p l d 通过修改其具有固定内连电路的 而c p l d 是在逻辑块下编程，因此，在编 从速