嵌入式系统和FPGA的总线控制器的设计实现

1、技 术 创 新中 文 核 心 期 刊 微 计 算 机 信 息 (嵌 入 式 与 SOC 2007年 第 23卷 第 1-2期 PLD CPLD FPGA 应 用嵌入式系统和 FPGA 的总线控制器的设计实现 General Bus Controller Based on Em bedding System and FPGA(天津科技大学 李家星 LI JIAXING摘要 :本 文 实 现 了 一 种 基 于 嵌 入 式 和 FPGA 的 通 用 总 线 控 制 器 的 设 计 方 案 。 该 方 案 能 够 在 不 改 变 硬 件 设 计 的 情 况 下 通 过 软 件 升 级 实 现 对 各

2、 种 不 同 总 线 接 口 时 序 的 控 制 , 从 而 实 现 了 通 用 总 线 控 制 器 , 并 成 功 应 用 到 通 用 编 程 器 中 , 极 大 提 高 了 产 品 的 竞 争 力 也 大 大 缩 减 了 开 发 人 员 的 开 发 成 本 。关键词 :总线接口 ; 嵌入式系统 ;FPGA中图分类号 :TP302文献标识码 :AAbstract:This paper realizes a design scheme to sequential controller of general purpose interface based on embedding mood an

3、d FP-GA technique. This scheme can realize any kinds of bus interfacing sequential controlling only by software upgrading in the case of not changing hardware design,so it could have implemented universal interface sequential controller that has achieved in the general compilers, and it can not only

4、 get up hugely the competitive capacity of product but also cut down development cost immensely. Keywords:Bus interface,embedding system,FPGA文章编号 :1008-0570(200701-2-0242-021引言在电子产品的设计与开发阶段 , 电子工程师需要和各种各样 的 集 成 电 路 (IC-Integrated Circuit 打 交 道 , 比 如 EEPROM 、FLASH 、 CPLD (复杂 可 编 程逻 辑 器 件 、 FPGA (现 场

5、可 编程 门 阵列器件 等 。 这些集成电路都存在一个共同的特性就是需要通过外部设备对芯片进行编程 , 从而实现芯片的功能价值 。 由于这 些 芯 片 采 用 的 存 储 介 质 (TTL 、 CMOS 等 和 总 线 接 口 (I2C 、SPI 、 JTAG 、 并行接口等 的不同 , 导致了其编程电压和编程时序的千差万别 。 传统的总线控制器一般只针对单一电平或单一接口类型的芯片进行编程 , 称为专用编程器 。 而现有的通用总线控制器虽然在支持芯片类型上有了较大的扩展 , 但是存在着价格昂贵 、 更新升级不方便等缺点 , 深深束缚了开发人员 , 也加大了产品的开发成本 。正是基于上述需求

6、, 本文提出了一种通用总线控制器的设计原理 。 该总线控制器采用嵌入式系统再辅助 FPGA 的设计 。 嵌入式微控制器的优势在于将微处理器内核与丰富多样的外围接口设备紧密结合 , 在提供强大的运算 、 控制功能的同时 , 降低了系统成本和功耗 , 因而适合作为数字系统的控制核心 ; FPGA 的优势在于超高速 、 丰富的逻辑资源以及用户可灵活配置的逻辑功能 , 可适用于逻辑接口功能多种多样 、 灵活可变的场合 。 将二者结合形成优势互补 , 从而降低了通用总线控制器的高成本 , 实现了其灵活升级更新的功能以及可适应不同种类型芯片的编程 。综上所述 , 系统实现的重点和难点是如何对系统进行自动升

7、级 、 如何对 FPGA 的配置文件进行动态配置等 。2系统的总体结构通用 总 线控 制 器 的设 计 目 标是 能 够 支持 用 户 通 过 网 络 系统从服务器获取待烧录芯片的目标文件至控制器的存储器 , 微 处理器再根据命令对芯片类型解析 , 通过分析将对应总线接口 的驱动编程至 FPGA , 使 FPGA 具有该总线的驱动能力 , 从而根 据微处理的命令产生相应的总线时序 , 实现对目标芯片的编程 以及读取芯片内容等功能 。 微处理器再根据读出或写入的内容 计算校 验和 , 将 内 容或 校 验 和通 过 网 络传 递 给 上位 机 , 告 知操 作人员对芯片操作成功与否 。 因此整个

8、硬件系统的总体框架图 见图 1。图 1系统框架图3通用总线控制器的实现通 用 总 线 控 制 器 主 要 由 以 下 模 块 组 成 :嵌 入 式 uCLinux 系统 核 心 板 +外 围 控 制接 口 电 路 +目 标 芯 片支 持 电 路 。 核 心 板 采 用 了 SAMSUNG 公 司 32位 ARM7TDMI 处 理 器 S3C44B0, 扩 展 了 两 片 8Mbyte SDRAM (HY57V641620CT-6 , 2Mbyte NOR FLASH (AM29LV160DB , 16Mbyte Nand Flash (K9F2808 , 板 载 一 个 10/100M 以 太

9、 网 端 口 和 FPGA(Xilinx 系 列 , 用 于 实 现 针 对 不 同 种 总线 接 口 协议 等 扩 展外 设 。 编 程器 设 备 的硬 件 电 路组 成结 构 图如 图 2。系统 的 启动 代 码 (Bootloader 和内 核 镜 像 (uClinux 被 存 放 在 NOR Flash 中 , 上电后可以自动引导系统完成硬件初始化 、 李家星 :研究生基金项目 :天津市高等学校科技发展基金项目 (20051505技术 创 新PLD CPLD FPGA 应 用您 的 论 文 得 到 两 院 院 士 关 注加载 uClinux 内核镜像 (uClinux KernelIm

10、age 至 SDRAM 以及调 用 uClinux 内核 (uClinux Kernel 。 在设计开发阶段也可以通过USB 接口下载系统内核 。 Nand Flash 主要用于存储用户的应用程序 、 对 FPGA 动态配置的应用程序及各种总线接口时序的配 置 文 件 和 程 序 。 系 统 采 用 uClinux 中 的 MTD 技 术 对 NANDFlash 进行分区 只读 (Read Only 和系统数据 (System Data 区 , 并 采 用 J2FFS 进 行 文 件 系 统 管 理 , 从 而 避 开 了 对 NANDFlash 的复杂操作流程 , 可以很方便的实现文件的读写

11、 、擦除等 操作 。 UART 接口用于输出信息以及完成初始阶段的人机交互 命令 。 RJ45接口实现上位机与嵌入式系统的数据交换和命令传 输 , 并通过 uClinux 中 TFTP 协议完成文件的远程下载和更新 。 上电后 , 系统根据命令将不同配置文件下载到 FPGA , 使其具有相应总线功能 , 达到对不同总线接口器件进行编程的目的 , 实 现通用总线控制器的功能 。图 2编程器设备硬件电路组成结构4系统关键接口电路的设计4.1FPGA 动态配置接口设计其 中 利 用 44b0PORT D 的 5位 GPIO 来 实 现 动 态 配 置 . FPGA 的接口功能 , 因为 FPGA 的

12、配置接口采用 IEEE1149.1规范 , 所以用软件完全模拟该规范产生总线时序 。 经过配置后 , MCU 就将其作为普通外设对待 。 它们之间的通信是通过数据总 线 , 地址总线与控制总线实现的 。图 3MCU 与 FPGA 动态配置接口电路该系统采用 uClinux 嵌入式操作系统管理和调度外部设备 的运行 。 图 4中 , FPGA Device Mananement APP 管理已配置好 的 FPGA 设备 , FPGA Configure APP 用于动态配置 FPGA ; FPGADevice Driver 是 uClinux 应 用 程 序 与 硬 件 的 接 口 ; FPGA

13、 Device Driver 采用 Linux 标准的模块化驱动程序接口 , 实现了 Open ( 、 Close ( 、 IOCtl( 和 Read ( 、 Write ( 等操作 , 便于应用程序的调用 。图 4软件系统框图4.2网络接口设计系统中采用 RTL8019AS 实现 MCU 与外部网络的 通 信 , 采 用这个电路的主要作用有两个 :(1 满足系统与上位机软件远程通信的功能 , 使得上位机软件可以比较方便的控制和获取系 统的数据和状态 。 (2 利用嵌入在系统中的 TFTP 协议实现配置文件的动态更新 。 这样做的好处是不用修改硬件电路就可以根 据实际需要来方便的升级系统 ,

14、使得系统可以更加灵活的满足 需要 、 完成更多接口时序 , 真正的做到通用性 。图 5MCU 与以太网接口原理图系 统 为 了 能 够 完 成 动 态 配 置 FPGA 和 灵 活 适 应 系 统 升 级及适应更多新型的接口时序 , 必须能够在线实现驱动和配置程 序的升级 , 因此必须引入网络应用程序 。 (下转第 285页 技术 创 新机 器 人 技 术您 的 论 文 得 到 两 院 院 士 关 注拐 。 只要把 3个传感器调整到合适的距离 , 就能够实现机器人 快速的沿墙行走 , 具体规则如表 1所示 。表 1机器人沿右墙走规则注 :有表示有障碍物 , 无表示无障碍物 , ×表示

15、有无障碍物都可以4灭火比赛结果灭火比赛的任务是尽快找到火源 , 并把它扑灭 。 成功灭火 并且用时最短者获胜 。 比赛用时长短的制约因素主要有 :沿墙 走直线时调整次数 、 碰 墙 次 数 、 正 确 转 弯次 数 、 找 准火 源 次 数 、 成功灭火次数 。 沿墙走直线时调整次数越少 , 碰墙次数越少 , 所 用时间越短 ; 正确转弯次数越多 , 找准火源次数越多 , 成功灭火 次数越多 , 所用时间越短 。 在标准灭火比赛场地 (249cm*249cm 上 , 统计了 10次比赛的一些数据 , 如表 2所示 。表 2灭火比赛有关数据以上数据表明 , 在教学用灭火机器人上由于采用了自制码

16、盘和传感器模块 , 在整个灭火过程中 , 走直线时基本不做调整 , 也能够正确判 断障 碍 物 , 因此 节 约 了大 量 时 间 , 在 与 其 它灭 火 机器人比赛时具有较大优势 。5结论本文作者的创新点是 :自行研制的一款中小学版的教学用 灭火机器人 , 具有体积小 、 成本低 , 快速精确 、 趣味性强的特点 , 而且开放性好 , 学 生可 按 照 自己 的 想 法 , 在 上 面 加载 不 同 的算 法程序 , 方便的进行实验 。 整个机器人采用模块化设计 , 接插件 连接方便 。 现正在中小学中推广应用 。参考文献 :1机器人竞技系列丛书 . 北京:科学出版社 2003.9. 2薛

17、钧义 . 凌阳十六位单片机原理及应用 . 北京:北京航空航天 大学出版社 2003.1.3高国富 , 谢少荣 , 罗均编著 . 机器人传感器及其应用 . 北京:化 学工业出版社 2005.4徐春梅 , 杨平 , 曾婧婧 , 蒋式勤 , 彭道刚 . 机器人直赛道赛跑方案 和走直线控制策略的设计与实现 J. 微计算机信息 ,2005,9-3:153-156.作者简介 :肖海荣 , 女 , 1969年 生 , 汉 族 , 硕 士 , 副 教授 。 研 究 领 域 :计算机控制等 ,Email:hairong.xiao 。Biography:Xiao Hairong was born in 1969.

18、She got her Master degree of electric drive and automation from Shandong University of Science and Technology in 1995. She is an associate profes-sor with Department of Information Engineering,Shandong Jiao-tong University. Her research interests is computer control. (250023山东交通学院教务处 肖海荣 刘文江 潘为刚 (25

19、0061山东大学控制学院 周风余 刘 涛 罗 晓(Shandong Jiaotong University , Jiaoxiao Road,Jinan 250023 Xiao Hairong Liu Wenjiang Pan Weigang(School of Control Science and Engineering, Shandong Uni-versity,Jingshi Road,Jinan 250061Zhou Fengyu Liu Tao Luo Xiao通讯地址 :(250023济南市山东交通学院教务处 肖海荣(上接第 243页 在本系统中采用了 TFTP 传输协议 。 标准

20、 的 TFTP (Trivial File Transfer Protocol 是 一 种 基 于 UDP 的 、简 单 的 文 件 传 输 协 议 。 TFTP 的设计目标是简单小巧且易于实现 , 其基本通信流程 为 :客 户 端向 服 务 器发 出 读 或写 请 求 ; 如果 服 务 器接 收 读 写请 求 , 正式的数据传输开始 , 每段数据长度固定为 512字节 ; 长度 小于 512字节的数据段标志传输结束 。 此外 , 协议中还规定了 超时 、 重发等异常处理机制 。 综上所述 , 采用 TFTP 协议再结合FPGA 动态配置方法 , 就可以实现通用总线时序的动态配置 。5总结利

21、用 嵌 入 式 系 统 及 FPGA 实 现 的 通 用 总 线 控 制 器 能 够 广 泛应用到需要不同总线接口的控制中 , 尤其是在当前各种总线 接口百 花 齐放 的 阶 段 , 更 加 凸 现其 使 用 价值 , 目 前 该种 方 法 已 经在最有代表性的通用编程器上实现 , 取得了较好的效果 。本文 作 者创 新 点 :本系 统 具 有通 用 性 ; 可在 不 更 改 硬 件 的情况下升级系统 ; 可通过添加配置文件的方式添加对新型总线 接口的支持而不修改硬件 。参考文献 :1John Williams, Neil Bergmann. Embedded Linux as a platform for dynamically self reconfiguring s