（系统工程专业论文）基于PCI总线的1553B总线接口板设计.pdf

摘蛰 摘要 近年来，由于科学技术的不断发展，使得航空电子综合化系统电不断发展、 提高。而1 5 5 3 b 总线接口板是实现航空电子综合化系统的关键部件，故而1 5 5 3 b 总线接口板的设计就显得非常重要。与此同时，随着p c 机局部总线技术的发展， p c i 局部总线独立于处理器的独特设计和其在高性能、低成本、开放性等方面的 优势，使其得到迅速普及和发展，目前己成为微型计算机事实上的总线标准。本 文所要完成的就是一个基于p c i 总线的1 5 5 3 b 总线接口板的硬件和软件设计工 作。 在第一章概述了本文的主要研究内容以及本课题的意义所在；在第二章分别 详细介绍了p c i 总线和1 5 5 3 b 总线，在第三章从总体上介绍了系统的设计思路 并分别详细介绍了p c i 总线接口芯片$ 5 9 2 0 和1 5 5 3 b 总线协议芯片b u 6 1 5 8 0 ， 这些内容为第四章硬件设计和第五章软件设计作了铺垫；在第四章具体说明了如 何利用p c i 总线接口芯片$ 5 9 2 0 和1 5 5 3 b 总线协议芯片b u 6 1 5 8 0 来进行接口板 的硬件设计；在第五章说明了虚拟设备驱动程序( v x d ) 的概念和设计方法，同 时也介绍了用户应用程序的设计过程及其与驱动程序间的通讯方法；在最后一章 总结了本文的工作并对本设计的改进工作提出了几点建议。 关键字： 航空电子综合化总线接口板 p c i 总线$ 5 9 2 0 v x d 1 5 5 3 b 总线 b u - 6 1 5 8 0 堕：堕! ：些查堂塑! ：4 兰些堕兰 皇坠兰兰l 一 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ei n t e g r a t e da v i o n i c ss y s t e m h a sb e e nc o n t i n u o u s l y d e v e l o p e da n di m p r o v e d w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs cf e n c ea n dt e c h n o l o g y s i n c et h e i5 5 3 bb u si n t e r f a c eb o a r dp l a y sak e yr o ei nt h er e a li z a t i o n o fi n t e g r a t e da v i o n i c ss y s t e m ，i t sd e s i g nisq u i t ei m p o r t a n t e a n w h i l e ， b e c a u s eo ft h ep c il o c a lb u s ss p e c i a ld e s i g nw h i c hi si n d e p e n d e n to fc p u a n da t s ob e c a u s e0 fs u c ha d v a n t a g e sa st h eh i g hp e r f o r m a n c e ，l o wc o s ta n d o p e na r c h i t e c t u r e ，p c i l o c a lb u sb e c o m e ss op o p u l a rt h a tc u r r e n t l yh a s b e c o m et h ea c t u a lp cb u ss t a n d a r d t h i st h e s i si sc o n c e r n e dw i t ht h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no ft h e1 5 5 3 b b u si n t e r f a c eb o a r db a s e do np c ib u sa n di tc a nb ed i v i d e di n t os i xc h a p t e r s c h a p t e r o n es u m m a r i z e st h em a i nc o n t e n ta n dt h es i g n i f i c a n c eo f t h e r e s e a r c h ：c h a p t e rt w oi n t r o d u c e sp c ib u sa n d1 5 5 3 bb u si nd e t a i l ：c h a p t e r t h r e eg i v e sag e n e r a lp r e s e n t a t i o no ft h ed e s i g np r i n c i p l ea n di n t r o d u c e s t h ep c ib u si n t e r f a c ec h i p $ 5 9 2 0a n d1 5 5 3 bb u sp r o t o c o lc h i pb u 一6 1 5 8 0i n d e t a i l 。w h i c hm a k eab a s i sf o rt h eh a r d w a r ea n des o f t w a r ed e s i g ni nt h e f o l l o w i n gc h a p t e r s ：c h a p t e rf o u rs h o w sh o wt od e s i g nt h eb o a r d sh a r d w a r e b yu s i n gp c ib u si n t e r f a c ec h i p $ 5 9 2 0a n d1 5 5 3 b b u sp r o t o c o lc h i pb u 一6 1 5 8 0 ： c h a p t e rf i v e d e a l sw i t ht h ec o n c e p ta n dd e s i g n m e t h o do fv x d ( v i r t u a l d e v i c ed r i v e r ) ，a sw e l la st h ec o m m u n i c a t i o nm e t h o db e t w e e nt h eu s e r s a p p l i c a t i o na n dt h ed e v i c ed r i v e r ；t h e l a s tc h a p t e r ，c h a p t e rs i xm a i n l y p u t sf o r w a r ds o m es u g g e s t i o n so n h o wt o i m p r o v et h es y s t e m k e yw o r d s ： i n t e g r a t e d a v i o n i c sb u si n t e r f a c eb o a r d1 5 5 3 bb u s p c ib u s v x d $ 5 9 2 0b u 一6 1 5 8 0 第一章绪论 随着航空技术的发展，在过去的几十年中，很多新技术都已鹰用到航空技术 领域，经过飞机设计师们多年来的研究，使得增加飞机的推力，改善飞机的气动 性能等一些关键的技术已经相对比较成熟。而同时，由于近些年来，电子信息技 术、计算机技术、控制技术都有了长足的进步，而这些新技术可以大大提高飞机 的性能。所以说在科技飞速发展的今天，飞机的电子系统是否先进，成为了评判 飞机性能优劣的最重要依据，从而使得人们更加关注飞机内部的电子系统的进步 和发展。正是在这样的背景条件下，航空电子综合化技术应运而生，它是一个新 兴的技术领域，其本质仍然是一个对信息的采集、处理、分配、存储的系统。 在航电系统的研制初期，通常人们都要先在地面以微型计算机为基础作各种 仿真实验。这使得用于各仿真系统的接口板的研制和革新工作便同时成为航电系 统发展的一个重点。接口板的主要任务是实现航电系统的数据总线与p c 机的数 据总线之间的通讯功能，这使得人们可阻在p c 机上模拟航电系统数据总线上所 挂接的实际子系统。比如说，用p c 机可以仿真飞机上的火控系统、惯导系统、 平显系统以及大气机等。 本课题便是研制这样一种接口板，并编写其在w i n d o w s 下的驱动程序， 本接口板基于p c i 总线，其服务对象是m i l s t d 1 5 5 3 b 总线。 1 1 航空电子综合化简介 从概念上讲，航空电子综合化是一种计算机联网技术，然而它又不同于一般 的计算机网络，因为一般的计算机网络是要解决用户对资源的共享，其主要目的 是试图解除地理上的约束，解决通讯容量和负载均衡的问题。而用于飞行器( 飞 机、导弹) 上的计算机网络，除了各个计算机都以嵌入式系统的方式存在于诸屯 子系统之中这点外，它还要满足各个功能子系统( 如惯导、火控、通讯、电子对 抗) 的实时性的要求，还要通过信息交联达到功能综合的目的。它特别强调通过 严格的故障检测和提供可替代的资源( 软件和硬件的冗余度) 以达到高的可靠性 荆容错能力。它是一个在苛刻的空间限制条件下、对密集的航空电子子系统集合 晒1 1 ；7 - 业大学伽i t 学位论t 旃一幸绪论 进行信息综合和功能综合的技术。 1 2p c i 总线简介 p c i 总线的英文全称为：p e r i p h e r a lc o m p o n e n t i n t e r c o n n e c t ，即外部设备 互连。p c i 总线是一种即插即用( p n p ，p l u g a n d p l a y ) 的总线标准，支持全面 的自动配置，p c i 总线支持8 位、1 6 位、3 2 位、6 4 位数据宽度，采用地址数据 总线复用方式，总线工作频率为3 3 m h z ，最高可达6 6 m h z 。若总线宽度为3 2 位，总线工作频率为3 3 m h z ，则p c i 总线最大峰值传输率为3 3 4 = 1 3 2 m b s 。其 主要特点有：线性突发传输；同步总线操作；多总线主控方式；不受处理器限制： 适合多种机型；兼容性强；预留了发展空间；自动配置功能；编码总线命令；地 址数据总线复用；总线错误监视；高性能价格比。由于p c i 总线良好的性能，使 它己成为当今个人计算机的主流总线结构。 由于p c i 总线具有高性能和低成本的优点，并且在大部分的新型p c 机主板 上已很少提供e i s a i s a 接口。所以开发基于p c i 总线的产品已成为一种必然的 趋势。开发基于p c i 总线的1 5 5 3 b 总线的接口板一方面可以充分利用p c i 总线 的高速，即插即用的特性，另一方面也是技术发展的要求。 1 3 1 5 5 3 b 总线简介 在航电系统中，数据总线是服务于航电系统的一个很重要的组成部分它是 航电系统各子系统间的数据交换纽带，将所有的子系统连接在一起，共同构成具 有特殊性的分布式计算机网络，从丽实现航电系统内部各子系统的信息共享和综 合化控制。在航电系统的发展历程中，人们在数据总线领域先后提出了一系列的 标准和规范，在这方面比较有名而且成功的是a r i n c 4 2 9 总线，m i l s t d 1 5 5 3 b 总线，以及新出现的a r i n c 6 2 9 总线标准等。其中a r i n c 4 2 9 总线是利用 m a r k 3 3 的数字式信息传输系统；a r i n c 6 2 9 总线则是一个完全的分布式的系 统，是一个无需专门总线控制器的总线系统：而m i l s t d 一1 5 5 3 b 总线则是一个 时分制指令响应多路传输数据的总线，由于m i l s t d 一1 5 5 3 b 总线具有很高的可 靠性和灵活性，加之技术比较成熟，所以应用比较广泛，本系统的服务对象便是 1 5 5 3 b 总线。 两北l 业人学顺卜学位论文第章绪沦 l - s t b 1 5 5 3 b 是一个关于数据总线电器特性和曲、议规范的军事标准，它的 全称为一匕机内部时分制指令n 向应型多路传输数据总线”( a i r c r a f ti n t e r n a l 1 i m ed i v i s i o nc o n m a n d r e s p o n s em u l t i p l e xd a t ab u s ) ，这个标准规定了飞机 内部数字式的命令响应时分制多路数据总线的技术要求，电规定了多路数据总 线的操作方式和总线上的信息流的格式以及电气要求。其作用是提供一个在不同 系统之间的传输数据和信息的媒介。 目前，m i l s t d 一1 5 5 3 b 总线协议已广泛的应用于军事、工业和科技领域。从 大型运输舰、空同补给站、轰炸机到各种战略战斗机，以及直升飞机，都有其应 用，它甚至用于导弹系统以及用作飞行器和导弹之间的基本通讯单元。现在它同 样用于商业和工业用途，比如地铁系统和工业生产线。 1 4 1 硬件设计 1 4 研究内容 具体地说，就是设计该接口板的硬件电路，设计出原理图，p c b 图，并做出 板子。从原理上讲，整块板子最少要包括以下几个模块： 1 和1 5 5 3 b 总线的接口模块： 2 。和主机p c i 总线的接口模块； 3 1 和2 之间的接口逻辑设计； 基本实现方案如下： 1 和1 5 5 3 b 总线的接口采用d d c 公司的b u 一6 1 5 8 0 接口芯片 目前m i l s t d 1 5 5 3 b 总线接口板大都以s m c 公司的c o m l 5 5 3 b 、u t 公司 的u t l 5 5 3 b 协议芯片为主进行接口板的设计。这样设计的接口板要加许多硬件 电路，故集成化的程度还不是太高，电路复杂、工作效率低、可靠性差、功能少， 给系统设计带来许多的不便。 本系统与m i l s t d 1 5 5 3 b 总线的接口采用d d c 公司的b u 6 1 5 8 0 芯片。 b u 一6 1 5 8 0 芯片包括4 k 4 1 6 位的内部r a m 和2 5 个内部寄存器。本接口板不仅完 全满足m i l s t d 一1 5 5 3 b 标准，而且使用灵活、方便、可靠性高，与计算机的接 口适用于各种个人汁算机和兼容机。 2 和主机p c i 总线的接口采用a m c c 公司的$ 5 9 2 0 接口芯片 目前丌发p c i 外围接厂| 产品一一般采用两种方法：采用通用的p c i 接口专用大 规模接口芯片和采用具有p c i 接口功能的大规模p l d 来设计p c i 接口。前者使 用楣对方便简单，在生产量少时成本较低，但接口板体积较大：而后者开发难度 较大，生产量少时成本较高，但体积小，单位芯片的功能集成度高。 考虑到本课题的实际情况，再加之成本的考虑，故与p c 机p c i 总线的接口 选用通用的p c i 接口专用大规模接口芯片。目前国内流行的p c ic o n t r o l l e r 芯 片主要有a m c c 公司的s 5 9 x x 系列和p l x t e c h 公司的p l x 系列。美国a m c c 公司，即a p p l i e dm i c r oc i r c u i t sc o r p o r a t i o n ，是一家生产通讯专用i c 的半导体 公司。其p c ic o n t r o l l e r 产品主要包括a m c c $ 5 9 3 3 和$ 5 9 2 0 两大种。其中前者 有“主设备”功能，而后者只能作为“从设各”使用。本课题选用a m c c $ 5 9 2 0 芯片。该芯片除没有主控功能外，其余均与$ 5 9 3 3 相同，可以看作是$ 5 9 3 3 的简 化。但它比$ 5 9 3 3 价格降低了许多，因此本系统使用$ 5 9 2 0 具有更高的性价比。 $ 5 9 2 0 提供了一个与p c i 总线十分方便的接口，使用者可以不关心p c i 总线 的具体信号操控，而直接将有关信号与p c i 总线相连接。对于用户端，$ 5 9 2 0 提 供了一个a d d - o n 端。使用者只要了解a d d o n 端的具体信号定义及应用即可设 计出相应的使用逻辑。 $ 5 9 2 0 提供了两种数据通道，一种称为m a i l b o x ，另一种称为p a s s - t h r o u g h 。 其中后者具有两个3 2b y t e 的f i f o ，分别服务于进和出两个方向。只有在 p a s s t h r o u g h 中才支持突发传输方式。每一个$ 5 9 2 0 可使用四个p a s s t h r o u g h 通 道，每一个通道均有其一个基址寄存器于配置空间中。 3 进行$ 5 9 2 0 接口芯片与b u 一6 1 5 8 0 接口芯片之间的接口逻辑设计，设置板 子的工作方式及时序配置。 采用一些外围电路和分立元件来实现。 1 4 2 软件设计 本课题软件设计的任务是设计出本接口板在w i n 9 8 下的v x d 驱动程序和用 户程序。由于用户程序运行在w i n d o w s 操作系统的r i n 9 3 级，它不能对硬件进 行直接访问，也不会响应硬件中断，必须通过驱动程序来响应中断以及访问硬件。 驰动程序实际 可以理解为是一系列控制硬件设备的函数。在设计和使用p c i 4 西北工业人学坝卜学位睑义第一章绪沦 设备时，经常要在p c 机的软件巾访问和控制硬件设备，但w i n d o w s 操作系统( 包 括w i n d o w s9 5 9 8 、w i n d o w s n t 、w i n d o w s2 0 0 0 ) 为了保证系统的安全性、稳 定性和可移植性，对应用程序访问硬件资源加以限制，这就要求设计设备驱动程 序以实现p c 机的软件对p c i 设备的访问。 1 5 选题意义 为了向航空电子工程化提供试验和测试环境，必须建立航空电子仿真系统。 总线仿真系统是飞机机载航电系统研制、开发过程中必不可少的系统开发工具。 总线仿真系统主要用于满足军用飞机机载航电系统和设备研制过程中航电总线 数据背景仿真的应用要求。在机载航电系统的系统应用软件开发、子系统设备功 能测试以及航电系统设备的综合实验等方面有大量应用。而总线接口板的功能就 是提供各航电子系统和航电系统的数据总线之间的通讯接口。所以总线接口板的 研制工作便具有重要的意义。 i 珂匕叫l 大学砸i 学位论殳第一鼋p c i ，吐线。j 15 5 3 b 总线 第二章p c i 总线与1 5 5 3 b 总线 本设计的最终目的是实现p c i 总线与1 5 5 3 b 总线之间的通讯，从而满足航电 系统仿真的需要。在第一章绪论中已经对这两种数据总线进行了简要的介绍，下 面将详细的介绍这两种数据总线。 2 1p c 总线概述 p c i 局部总线是微型计算机中处理器存储器与外围控制部件、扩展卡之阃的 互连接口，p c i 局部总线规范是互连机构的协议，也是电器和机械配置的规范。 p c i 的含义为外设部件互连( p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ) 。p c is i g 自1 9 9 2 年发布了p c i 局部总线规范1 0 版以来，经过不断的完善，于1 9 9 9 年2 月推出其 最新版本2 2 版。p c i 局部总线独立于处理器的独特设计和其在高性能、低成本、 开放性等方面的优势，使其得到迅速普及和发展，目前已成为微型计算机事实上 的总线标准，并在嵌入式计算机和工业控制计算机方面具有广泛的应用前景。 p c i 总线是一种先进的高性能局部总线，若总线宽度为3 2 位，在3 3 m h z 总线时 钟条件下其速率可达到3 3 * 4 = 1 3 2 m b s 。p c i 总线的推出打破了微机系统同外 设之间的传输瓶颈，近几年来在数据采集，工业控制，视频传输与处理等领域 得到了广泛应用。而且值得一提的是p c i 是专门为满足现代系统的i o 要求而 设计的较经济的总线。它支持线性突发传输：具有极小的存取延误：且采用总 线主控和同步操作：它不受处理器限制，适合于各种机型且兼容性强( p c i 局 部总线可提供“共用插槽”，以便插接一个p c i ，i s a ，e i s a ，m c a 插头) 并预留了 发展空间( 在3 3 m h z 总线时钟条件下，p c i 的6 4 位延伸设计，可将系统的数 据传输速率提高到3 3 + 8 = 2 6 4 m b s ) p c i 成本低，效益高，是立足现在放眼未 来的标准。 2 1 1p c i 总线的系统结构 图2 1 是p c i 总线系统结构图。在图中可以看到处理机c a c h e ，存储器子系统 经过个p c i 侨连接到p c i 总线上。此桥提供了一个低延迟的访问通路，从而 第一荦p c i 总线o j1 5 5 3 b 总线 使处理器能够直接访问通过它映射r 存储器空间或i o 空唰的设备；也提供丁 能使? c i 土设备直接访问主存的高速通路；该桥也能提供效据缓存功能以使 c p u 与p c i 总线上的设备并行工作而不必相互等待；另外，桥可使p c i 总线的 操作与c p u 总线分开，以免相互影响。总之，桥实现丁p c i 总线的全部驱动控 制。 p r o c e s s o r t 一 一l c 。，h 。 桥存储器控制器l 干一l ：。r 彳= 二一 ilj 上l 上。 l a ns c s i i f 扩展肇线桥 基本i 0 功能 f 图形i 厂一 i：。 l 上。上、：。i s a e i s a 、m c a ：) c r t 图2 1p c i 总线系统结构图 扩展总线桥( 标准总线接口) 的设置是为了能在p c i 总线上接出一条标准 i o 扩展总线，如i s a 、e i s a 或m c a 总线，从而可继续使用现有的y o 设备， 以增加p c i 总线的兼容性和选择范围。 2 。1 2p c i 总线信号 在一个p c 应用系统中，如果某设备取得了总线控制权，就称其为“主设 备”，而被主设备选中以进行通信的设备称为“从设备”或“目标设备”。对于相 应的接口信号线，通常分为必备的和可选的两大类。如果只作为目标设备，至少 需要4 7 条信号线，若作为主设备，则需要4 9 条信号线。利用这些信号线便可处 理数据、地址，实现接口控制线、仲裁及系统。下面对主设备和目标设备综合考 虑，并按功能分组将这些信号表示于图2 2 中。 加北工业凡学 i ! ；! i 一学位u q 史 ；i ；一章p c i ，e 2 , 线- j 15 5 3 b g 线 注：图中，# 表示低电平有效，否则为高电平有效 图2 2p c i 局部总线信号 2 1 3p c i 数据传输控制 p c i 总线的基本传输规则是突发传输方式，p c i 总线传输周期由一个地址期 加上一个或多个数据期构成，基本的p c i 传输是由f r a m e # 、i r d y # 和t r d y # 3 个信号控制。f r a m e 撑由主设备驱动，指明一个数据传输的开始和结束，i r d y # 也由主设备驱动，允许插入等待周期，t r d y # 由从设备驱动，允许插入等待周 期。 当f r a m e # 和i r d y # 都无效时，接口处于空闲状态。f r a m e # 有效后的第一 个时钟前沿是地址期的开始，此时传送地址信息和总线命令。下一个时钟前沿开 始1 一个( 多个) 数据期，每逢i r d y # * 日t r d y # 同时有效时，所对应的时钟前沿 就使数据在主设备和目标设备之间传送，在此期间，可由主设备或目标设备分别 利用i r d y # 和t r d y # 的无效插入等待周期。 当数据有效时，数据源设备需要无条件设置x r d y # 信号( 写交易为i r d y # ， 读交易为t r d 、# ) 有效，只有当i r d y # 和t r d y # 在同一个时t 十上升沿有效时， 数据才能被传输。 一4 旦主设备使i r d y # 信号有效，中途将不能改变i r d y # 干hf r a m e # n 状态， 直到当前的数据期完成为1 e ，但t r d y 莓的状态可以忽略。而一个目标殴各一旦 设置了t r a y # 吉- 号或s t o p # 信号，就不能改变d e v s e l # 、t r d y # 或s t o p # ， 直到当前的数据期完成。岜就是院，不管是主设备还是目标设备，只要承诺了的 数据传输，就必须进行到底。 当最后一次数据传输时( 有时紧接地址期之后) ，主设备应撤消f r a m e # 信 号而建立i r d y # 信号，以表明主设备已做好最后一次数据传输的准备，待到目 标设备发出t r d y # 信号后，就说明最后一次数据传输已完成，f r a m e # 和i r d y # 信号均撤消，接口回到了空闲状态。总之，p c i 局部总线的交易一般遵循如下的 管理规则： ( i ) f r a m e # 和i r d y # 定义了总线的忙闲状态。当其中一个有效时，总线是 忙的；两个都无效时，总线处于空闲状态。 ( 2 ) 一旦f r a m e # 信号被置为无效，在同一传输期间不能重新设置。 ( 3 ) 除非设置i r d y # 信号，一般情况下不能设置f r a m e # 信号无效。 ( 4 ) 一旦主设备设置了i r d y # 信号，直到当前数据期结束为止，主设备不能改 变i r d y # 信号和f r a m e # 信号的状态。 2 1 4p c i 的编址 p c i 定义了三个物理地址空间：内存地址空间、i o 地址空间和配置地址空 间。这些编址是分布式的，每个设备都对自己的地址空间负责。p c i 总线支持正 向编码和反向编码两种类型。存储器和i o 地址空间为全3 2 位地址。在配置地 址空间，由a d 【7 ：2 寻址6 4 个双字寄存器。当一条配置指令的地址被译码，i d s e l 有效且a d 1 ：o = o o 时，设各判定是否是寻址自己的配置寄存器。如果不是则不 理会当前操作。 在本课题中使用了内存地址空间来对共享的r a m 进行读写，具体的硬件连 接将在后面系统的硬件设计一章中介绍。而配置空间的结构、作用和使用方法也 将在后面介绍。 2 1 5p c i 总线的读写操作 如图所示时序图显示了p c i 总线读、写操作的传输过程，图中椭圆部分表示 一个过渡期t 又称交换周期，即某倩号线由一个设备驱动转到另个设备驱动之 间的过渡期，这样可以避免两个殴备同时驱动一条信号线所造成的竞争。从图 2 _ 3 和图2 4 可以看出，读写操作时序基本相同，唯一的区别在于：读操作中， 地址期和数据期之间需要过渡期，而写操作中不需要。这是因为前者的地址和数 据是由不同的设备发出的，为防止总线冲突，必须具有过渡周期，而后者则是由 p c i 总线同一设备发出的，就不会出现总线竞争问题，所以不需要设置过渡期。 图2 3 和图2 4 表明了p c i 总线各个信号的时序配合规范。 图2 3p c i 总线读操作时序 图2 4p c i 总线写操作时序 2 21 5 5 3 b 总线概述 m i l s t d 1 5 5 3 b 是一个关于数据总线电器特性和协议规范的军事标准，它的 全称为“e 机内部时分制指令响应型多路传输数据总线”( a i r c r a f ti n t e r n a lt i m e d i v i s i o n c o m m a n d r e s p o n s e m u l t i p l e x d a t a b u s ) ，这个标准规定了飞机内部数字 0 笫哥p c i ，曹线与l5 5 3 bi t , 线 式的命令，口向应时分制多路数据总线的技术要求，也规定了多路总线的操作方式 和总线上的信息流的格式以及电气要求。其作用是提供个在不同系统之间传输 数据和信息的媒介。它类似于平时我们所酏的局域网( l o c a la r e an e t w o r k 或 l a n ) 。 1 9 7 3 年，美国军方和政府共同推出了m i l s t d 1 5 5 3 协议，起初始版本为a ， 是于1 9 7 5 年公布的，刚开始被美国军方应用于f 一1 6 战斗机和新型攻击型直升机 a h 一6 4 a 。1 9 7 8 年该协议发展到b 版本。同时政府将该协议固定在b 版，以适应 工业和军事的需要，园此m i l s t d 一1 5 5 3 b 军事数据通讯协议沿用至今。 m i l s t d 一1 5 5 3 b 数据总线的传输速度为1 m b p s ，字的长度为2 0 b i t ，数据有 效长度为1 6 b i t ，信息量最大长度为3 2 个字，传输方式为半双工方式，传输协议 为命令响应方式，故障容错有典型的双冗余方式，第二条总线处于热备份状态： 信息格式有b c 到r t 、r t 到b c 、r t 到r t 、广播方式和系统控制方式；能挂 3 1 个远程终端，终端类型有总线控制器( b c ) 、远程终端( r t ) 和总线监视器 ( m t ) ；传输媒介为屏蔽双绞线，m i l s t d 1 5 5 3 b 总线耦合方式有直接耦合和 变压器耦合。m i l s t ：) 一1 5 5 3 b 总线传输的是曼彻斯特i i 型码调制信号。信号从 高电平回归到低电平表示逻辑状态1 ，信号从低电平回归到高电平表示逻辑状态 0 。 2 2 1 典型m i l s t d - 1 5 5 3 b 系统的组成 m i l s t d 一1 5 5 3 b 协议定义了一个用于航空航天的多元数据总线。一个典型的 多元数据总线体系结构如图2 5 所示： 图25 典型的1 5 5 3 b 数据总线结构 基于系统完整性的要求，该标准给出了与系统数据总线有关的子系统的标准 西北工业大学坝卜学位治文 第一二章p c i 总线ijt 5 5 3 b 总线 数字化按l _ | 。为了能适应更广泛的需求，该标准也允许有许多可选择的设置。用 于不同应用的多元数据总线会有微小差别。设计者必须根据需要来从标准的功能 部件装配适合自己的用户系统，但必须注意到系统的设计必须是一致的。 2 2 2m i l - s t d 一1 5 5 3 b 系统硬件连接 在15 5 3 b 系统中，实现终端和主总线之间的耦合的方法有两种：直接耦合和 变压器耦合。基于抗干扰的考虑，现在的大部分系统基本都采用变压器耦合方式。 如图2 6 所示，b c 和r t 是通过一段小的截线( s t u b ) 和一个耦合变压器来和主 总线相连的。变压器耦合方式下，截线长度最长可达2 0 英尺( 6 1 米) 。耦合变 压器的转换率为4 2 ：1 ，其高端靠近截线的隔离电阻一端。隔离电阻是串连于终 端和主总线电缆之间的电阻器。隔离电阻和耦合变压器共同提供了电气隔离、阻 抗匹配和共模噪音的消除。详细如图2 7 所示。 耦合变压器耦合变压器 图2 6 变压器耦合方式的1 5 5 3 总线连接 图2 7 使用变压器耦合的数据总线接口 籀一章p c i ，曹线j l55 3 b 总线 所有用 j 主总线和所有的截线电缆都应当是带屏蔽的双绞线，线与线之间的 分布r 巳客不能超过3 0 3 p f f l ，( 9 8 4 p f m ) 。电缆的形成，必须保证每英尺大于等 r4 绕( 1 3 绕米) 。 2 2 3m i l s t d - 1 5 5 3 b 协议规范 2 2 3 1 总线上的数据格式和传输方法 多元数据总线系统最基本的配置如图2 6 。数据总线以一种异步的、命令响 应方式执行，其传输将以半双工方式进行。总线控制器初始化所有的传输，并单 独控制所有数据总线上的传输。数据总线上的信息流由消息组成，而消息依次由 三种类型的字组成：命令字、数据字和状态字。 数字数据的格式与本标准的消息和字格式相匹配。所有不使用的位，在传输 时都应视为逻辑0 。对于一个字的传输，m s b 应当第一个传输；对于多个字组合 成的高精度数据传输时，最重要字的m s b 应当第一个传输。 数据在总线上是以序列脉冲码调制形式传输的。数据编码是双相的 m a n c h e s t e ri i 码。所谓双相，也就是双极性。这种码表现出在每个码位中点处 存在一个跳变，1 信号是一个由l 到0 的负跳沿( 即一个高电平后紧跟一个低电 平) ：而0 信号是一个由0 到1 的正跳沿( 即一个低电平后紧跟一个高电平) 。传 输的过零点，都在每个位时间的中点。如图2 8 。 ( 4 - ) ( 0 ) ( 一) ( + ) ( 0 ) ( 一) 二：只二：r 二：同二：同二：只二：f = ：i = = 二：r 1 ：同：奎同：f 双向 m a n c h e s t e r 1 i 码 图2 8 双相m a n c h e s t e ri i 数据编码 第一常p c 总线。_ i5 5 3 b 总线 2 2 3 21 5 5 3 b 规范的字格式 1 5 5 3 b 规定每次传输一个消息的完整过程应包括指令字、数据字( 或指令字 和状态字) 几个部分。每种字的一个字字 乏为2 0 位，有效信息位是1 6 位，每个 字的前三位为单字的同步字头，而最后一位是奇偶校验位，如图2 9 所示：命令 字由同步字头、r t 地址、发送接收、子地址方式、数据字计数方式码，以及 奇偶校验位构成。其中同步字头的波形占3 个位时间，而且它并不是一个合法的 曼彻斯特( m a n c h e s t e ri 【) 波形。其后的五位是远程终端地址。每一个远程终端 都被赋予一个唯一的r t 地址( 1 1 1 i i 不能分配，留作广播地址用) 。r t 只对活 动总线上标识了自己r t 地址的信息给予响应。另外一种情况，如果r t 开启了 广播选项，那么对于r t 地址为1 1 1 1 1 的广播信号也给予响应。发送接收位( t r ) 则指明了r t 所需要进行的行为，即数据流的方向。t r 位后面五位，根据具体 情况用于指明r t 子地址或模式控制，子地址0 0 0 0 0 及1 1 1 1 1 保留用于特殊用途。 子地址能够确定连接到某一个r t 的某个子系统，通常这些子系统是r t 存储空 间中的某些具体存储单元。除去子地址0 0 0 0 0 及1 l1 11 ，联合t r 位，共可以有 3 0 个发送子地址和3 0 个接收子地址。在其后的5 位指示发送接收的数据字的数 量，或者用于指定方式代码。每一个发送或接受的信息块，最多可以有3 2 个数 据字。而当予地址方式的5 位为0 0 0 0 0 或1 1 1 1 1 时，该5 位用于管理信息传输系 统的方式代码的功能。最后一位为校验位，用于校验前面1 5 位，采用奇校验。 位时间田卫丑丑丑正卫卫匝叵回卫丑亚卿 命令字r 臣亟受叵卫 ! 巫互 巫受匾亘固 数据字 i 广_ r 百面蘅丽1 rr 。 炼f - 广 臣垂匦叵卫匝臣亘五巫巫圈 j 同步寸。头j 鎏型霎 保留 ：篓i 黧翥霆 。 差手请 指待统总标验 错段求令标线志位 接志拄 收制 图2 91 5 5 3 b 总线的字格式 接 收 l w 北工业大学砸 。学位论z第一章p c i 总线与15 5 3 b 总线 数据字卡目对简单，是由同步波形、1 6 个数据位和奇校验位组成。数据字的同 步波形恰好和命令字和状态字的相反，用于区别数据字和其他两种字类型。数掘 字1 6 位用于数据传输，没有具体规定，由用户定义，校验位同样采用奇校验。 状态字由同步字头、r t 地址、一些功能位及校验位组成。其同步字头同命 令字，由于在数据总线上，总是由总线控制器发出指令，而终端去识别其指令字。 或者相反，是由终端为响应指令字的要求而发出状态字，而总线控制器去判别其 状态字。b c 与r t 的分工自然决定了状态字与指令字的区别，因此二者的同步 字头相同并不会影响系统的辨识和正常工作；当然，如果系统中存在一个第三者， 例如由总线监视器来辨识仅仅由同步字头就不能区别到底是指令字或者是状态 字了。在这种情况下，还需要同步字以外的位特征来区别指令字和状态字，例如 实现“测量手段位”。因此，需要进一步地定义同步字头以外状态场的含义。状 态字的功能位包括信息错误位、测量手段位、服务请求位、广播命令接收位、忙 等待位、子系统标志位、动态总线控制接收位和终端标志位。这些位用于反映 r t 接收信号后的状念，在接收到b c 消息后，这些指示状态信息的位将传输给 b c ，以供b c 进行相应的处理。 2 2 41 5 5 3 b 协议规范的消息简介 1 5 5 3 b 协议规范提供了两种类型的信息格式，数据信息和控制信息。控制信 息由命令字中子地址方式( s u b a d d r e s s m o d e ) 设置为1 1 1 1 1 或0 0 0 0 0 来认明。 所有控制信息由活动b c 产生，并由一个或多个接收者接收。在命令字中，地址 3 l 代表广播信息，而其他分别代表某一个总线上的终端。方式命令信息完整的 包括在命令字的字计数方式码( w o r dc o u n t m o d ec o d e ) 域中。 数据总线提供了一个系统间数据交换的媒介，而数据交换则是基于消息传输 的。该协议规定了1 0 种类型的消息传输格式，所有这十种消息格式都是基于前 面所述的三种字类型。消息格式分为两类：广播消息和非广播消息。分别如下所 不： a ) 控制器向远程终端( b c - r t ) 的传输 匪巫口玉匠固一圈一回* 叵巫盈 b ) 远程终端向控制器( r t b c ) 的传输 压巫习”匝噩工壅习圈一团 c ) 远程终端向远程终端( r t 一 r t ) 的传输 第一_ = 带p c i 盘线15 5 3 b 心线 压垂鱼娶囊圣卜津医互囡固一匾；固 d ) 不带数据字的方式命令 l 之茎堂全f8 + l 鲨查兰 #l ! 二堂全! l e ) 带数据字的方式命令( 发送) 臣巫习”匦夏圈一叵巫盈 f ) 带数据字的方式命令( 接收) 臣巫口困“固一叵巫习 g ) 控制器向远程终端( b c 一 r t ) 的传输 匪巫互习圈固一叵圈 h ) 远程终端向远程终端( r t 一 r t ) 的传输 匪面互臣巫习”压孬工甄田冈一阿丽l一 i ) 不带数据字的方式命令 臣巫习* 臣珂 j ) 带数据字的方式命令( 发送) 匝夏习囡* 叵珂 注：其中“棹”表示消息间间隔( i n t e r m e s s a g eg a p ) ： “”表示响应时间( r e s p o n s e t i m e ) ： a ) f ) 为非广播消息格式，共六种： g ) 1 ) 为广播消息格式，共四种。 上述的信息传输是基于命令响应原则的，r t 对于所有接收到的无错误的消 息，都会返回给b c 一个状态字。这种握手机制( h a n d s h a k i n g ) 保证了r t 能够 接收到正确的信息。 广播消息是在同一时间向多个r t 传输消息，此时，终端屏蔽了状态字的传 输。b c 如果要判断r t 是否接受了正确的信息，可以依次询问每个r t ，以接收 来自各个r t 的状态字。 西北r 业大学坝卜浮位论j 第二章系统总体万案硅汁 第三章系统总体方案设计 近年来，由于科学技术的不断发展，使得航空电子综合化系统电不断发展、 提高。m i l s t d 一1 5 5 3 b 总线标准作为一种成熟的数据传输标准，已经得到了广 泛的应用。m i l 。s t d 1 5 5 3 b 总线接口板是实现航空电子综合化的关键部件，其 设计有多种实现方案，例如采用s m c 公司的c o m l 5 5 3 b 芯片或u t 公司的 u t l 5 5 3 b 系列芯片都能完成协议功能，但是这样设计的接口板要加许多硬件电 路，故集成度还不是太高，电路复杂、工作效率低、可靠性差、功能少，不易实 现小型化，给系统设计带来许多的不便。9 0 年代初，d d c 公司推出了新型高级 协议处理芯片b u 一6 1 5 8 0 。它具有体积小、重量轻、单电源、功能强、性能优良 和集成度高等一系列优点，很适合在小体积多路总线接口板( m b i ) 中应用。 航电系统的仿真，一般都是利用p c 机来模拟航电系统中的各个子系统。而 随着p c 技术的不断发展，p c 局部总线技术也在不断发展。目前，p c i 总线由于 其优越的性能，使其已在p c 机中得到了相当广泛的应用，成为p c 总线技术事 实上的标准。在目前的新款p c 机中i s a 总线插槽已很少，故而开发基于p c i 总 线的接口板，不仅是技术发展的要求，而且也是现实条件的迫切需要。 本章将从总体上介绍了本课题的设计思路，并着重介绍了b u 6 1 5 8 0 协议芯片 和p c i 总线接1 2 1 芯片$ 5 9 2 0 的功能及用法，为下一章的硬件设计作了一些准各工 作。 3 1 系统的设计思路 出于p c 局部总线技术的发展，使得p c i 总线成为p c 总线事实上的标准。 这使得航电系统仿真所需要的接口板由i s a 总线向p c i 总线的转换便显得尤为 迫切，本设计即是完成这一功能，设计一个基于p c i 总线的1 5 5 3 b 总线接口板。 具体的设计思路是与1 5 5 3 b 总线