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基于EP9315处理器和Linux系统实现PC/104总线控制器的设计

2020年10月26日 10:19 次阅读

前言

随着PC/104成为工业控制领域的标准,已经被IEEE协会定义为IEEE-P996.1,PC/104总线提供的信号跟ISA总线一样,但是前者的机械规格不仅易于扩充而且更加坚同,适合应用于数控系统。但是这种总线结构是在Intel的x86体系结构上发展而来,目前x86对PC/104的支持比较好,而ARM对PC/104的支持还不完全统一,主要由于ARM和x86在体系结构、总线时序、电气特性以及指令集等方面的差异。而且不同的数控系统所需要的总线信号也不完全一样。本文将提出一种基于ARM处理器的数控系统上支持P0104总线的方案。

1系统总体设计

数控系统中的ARM处理器采用CirrusLogic的EP9315处理器,用EP9315的一个片选(nGCS3_PHBASE0X30000000)作为PC104的地址范围,用地址ADDR24来控制MEMORY和10的方式的读写;用另一个片选(nGCS1_PHBASE0X10000000)来查询PC104的中断号,当PC104有中断的时候,用一个中断通知CPU,然后CPU通过nGCS1这个地址来读中断号,判断出11个PCIl04中断源中来自哪个中断。由于EP9315和CPLD在制作工艺、电气性能上与PC/104总线有比较大的差别.因此需要使用74LVTH16245作为3.3-5V电气转换buffer用来调整电平模式。CPLD是基于乘积项的可编程逻辑器件.CPLD内部采用固定长度线连接各个逻辑块,因此具有较大的时间可预测性,引脚到引脚的延迟几乎是固定的,与逻辑设计无关,因此适合作为PC/104总线控制器。这里使用Altera的EPM7032用作PC/104总线控制器,用来完成EP9315读写时序向PC/104总线读写时序的转换。EP9315的数据总线和地址总线连到电平转换buffer,输出到PC/104总线上。因此PC/104总线设计的核心是保证EPM7032有正确的读写时序。原理图如图1所示:

基于EP9315处理器和Linux系统实现PC/104总线控制器的设计

图1原理框图

2PC/104总线控制器的实现

PC/104总线介绍

PC/104采用模块化设计方法.通过自堆叠总线,省去了对底板或板卡插槽的要求。通过将多数信号的总线驱动电流减小至4mA.将元件数量和功耗降到最低。模块的104个信号线分布在两个总线连接器上,P1连接器有64个信号引脚,P2连接器有40个信号引脚。与ISA总线相比,PC/104总线将板卡的长宽比降至3.775英寸比3.550英寸(即96mm比90mm),克服了ISA总线机械规格的缺点。PC/104总线与PC/AT总线兼容,也定义了两种工作模式一8位和16位数据模式。对于8位数据模式,总线信号由板上的64引脚双排插座P1/J1提供,对于16位模式,增加了40引脚双排插座P2/J2。

ARMEP9315处理器介绍

EP9315处理器是CirrusLogic推出的一款基于ARM920T内核的RISC处理器,主要面向工业计算机和手持设备等等。ARM920T是Harvard体系结构处理器,由ARM920TDMI、存储管理单元(MMU)和高速缓存3部分组成。有独立的16位指令cache和数据cache。ARM920T有5级流水线。EP9315工作频率为200MHz,集成了2D图形加速器和协处理器,以及丰富的外设接口例如IDE控制器和PCMCLA控制器等,即使不使用额外的DSP芯片也能够支持相当多的外设。EP9315支持Linux。MicrosofiWindowsCE等操作系统。

PC/104总线控制器的设计

控制器的CPLD设计采用Altera公司的EPM7032.属于MAX7000可编程器件系列。MAX7000系列是高密度、高性能的CPLD,采用了Altera的第二代MAX架构,采用浮栅EEPROM设计。结构如图2所示:

图2EPM7032的结构

结构中包括逻辑阵列模块(LAB)组成的阵列、可编程互连阵列口(PLA)和可编程I/O模块阵列。每个LAB包括36个输入端、16个输出端和16个宏单元,每个宏单元包括处理组合和时序运算的组合逻辑和触发器PIA作为全局总线提供了多重LAB、专用输入端和I/O引脚之间的连接。PIA为逻辑单元的输出和LAB的输入提供了包括预计定时的完整连接。器件可以工作在3.3v。pin—to—pin的延迟tPD=6ms,工作频率可达151.5MHz,能够与EP9315的AMBA总线时钟频率相匹配。EPM7032支持多种设计输入,除原理图外还可以通过VHDLVeriiogHDL和AlteraHardwareDescripTIonLanguage(AHDL)。VerilogHDL语言是一种硬件描述语言,能形式化地抽象描述电路的结构和行为,支持逻辑设计中层次与领域的描述,具有电路仿真与验证机制以保证设计的正确性,用于算法级、门级和开关级的建模。开发环境使用Altera的MAX+Plus。

总线控制器的实现与仿真

在PC/104总线内部,用一个信号INT1查询相关的中断信号,使用片选信号CS3和地址信号LADDR24和读写信号WR、RD选择MEM或者10的读写方式。相关代码如下:

assignINT1=(IRQ[3]||IRQ[4]||RQ[5]||IRQ[6]||IRQ[7]||IRQ[9]||IRQ[10]||IRQ[11]||IRQ[12]||IRQ[14]||IRQ[15]);

assignMEMW=(CS3||WR||LADDR24);

assignMEMR=(CS3||RD||LADDR24);

assignIOW=(CS3||WR)||(~LADDR24);

assignIOR=(CS3||RD)||(~LADDR24);

使用MAX+Plus部分仿真结果如图3所示。从波形上可以看出INTI能够检测出中断产生,能够检测到MEM和I/O读写请求。总线控制器把这些信号输入到ARM处理器,完成对PC/109总线读写的控制。

图3读写时序仿真波形

3Linux下的PC/104总线驱动程序的设计

在Linux中,由于有设备文件,所以才能使得用户非常方便的访问外部设备,Linux系统为外部设备提供一种标准接口,将外部设备视为一种特殊文件,可以像访问文件一样访问一个外部设备。Linux通常将设备分为i种基本类型:字符设备、块设备和网络设备。在基于ARM处理器的数控系统中把PC/104总线看作块设备。下面是PC/104代码的说明:

nGCS1_VBASE=ioremap((nGCS1_PHBASE).2);

nGCS3_VBASE=ioremap((nGCS3_PHBASE+BaseAddr+LADDR24),256);

config=inl(SMCBCR1);

config&=0xcfffffff;//setnGCSI8-BIT

outl(config,SMCBCR1);

config=inl(SMCBCR1);

config=inl(SMCBCR3);

config&=0xcfffffff;//setnGCS38-BIT

eonfig1=0x0000fbe0;

outl(config,SMCBCR3);

config=inI(SMCBCR3);

两部分比较主要一部分是初始化SMCBCR1和SMCBCR3。另一部分是:一个是PC/104的基地址,另一个是读PC/104中断的基地址。这两个要在初始化时就要给定:

nGCS1_VBASE=ioremap((nGCS_PHBASE),2);

nGCS3_VBASE=ioremap((nGCS3_PHBASE+BaseAddr+LADDR24),256);

其中uGCS1_VBASE为读中数的nGCS3_VBASE为PC/104MEM的基地址。用操作系统担供的函数outl、inl可操作寄存器

4结语

本文创新点:提出一种基于ARMEP9315处理器的数控系统上支持PC/104总线的方案.主要描述了ARM数控系统中的PC/104总线控制器的设计与实现,使用CPLD和VerilogHDL语言。实现了EP9315对PC/104总线读写信号的控制和中断处理。完成了Linux下的PC/104总线控制器的驱动程序.提供了基于ARM处理器的数控系统的PC/104总线解决方法.弥补了ARM处理器对于PC/104总线的支持不足缺点,使得ARM处理器能够更广泛的应用于数控领域。

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ARM中,Linux 文件描述符到底是什么?

如何理解ARM中的进程?

进程管理是操作系统重点、难点问题,也是贯穿Linux学习的知识点。那么什么是进程?为什么引入进程的概念?  从理论...
发表于 2020-10-23 16:02 101次阅读
如何理解ARM中的进程?

关于ARM的统一编制与内存映射机制

引言:         从CPU连出来一把线:数据总线、地址总线、控制总线,这把线上挂着...
发表于 2020-10-23 15:53 202次阅读
关于ARM的统一编制与内存映射机制

ARM的内存管理(MMU)是如何实现的?

嵌入式系统中,存储系统差别很大,可包含多种类型的存储器件,如 FLASH , SRAM , SDRAM , ROM 等...
发表于 2020-10-23 15:29 404次阅读
ARM的内存管理(MMU)是如何实现的?

当AI遇到FPGA,会发生什么化学反应呢?

从家庭控制中智能门铃和安全摄像头的存在检测,到零售应用中用于库存的对象计数,再到工业应用中物体和存在检测,越来...
发表于 2020-10-23 11:43 101次阅读
当AI遇到FPGA,会发生什么化学反应呢?