基于FPGA的CPCI系统设计和实现方案

0 引言

目前的仪器或者工控系统多数使用集成式工控机箱，机箱背板一般通过CPCI(Compact PCI)接口连接所有的插卡，包括工控电脑和各种采集卡、控制卡等。设计板卡时需要考虑CPCI接口实现及通信机制，现有板卡多使用专用接口芯片，例如PCI9054芯片，这类芯片可扩展性不强，需要外扩FPGA芯片，使用不灵活；且直接使用FPGA的IP核实现CPCI协议占用资源多，开发成本较高，在有某些特殊需求时不便扩展。

本文提出了一种基于FPGA的CPCI系统的设计和实现，使用廉价FPGA芯片实现CPCI通信协议，同时利用FPGA的可编程特性实现电源控制、灵活中断、外部触发、外部通信等特殊应用的功能，解决了CPCI协议经过CPCI桥时的冲突问题。

1 系统设计

1.1 系统框图

如图1所示，本系统主要包含嵌入式板卡和CPCI工控机箱，板卡插入到CPCI机箱背板插槽。嵌入式板卡内的FPGA与CPCI插槽间使用CPCI总线和用户IO连接，FPGA与ARM之间通过特定IO实现的总线连接，同时FPGA上连接一个三极管驱动的继电器[1]。

1.2 系统功能

FPGA和背板接口为CPCI接口，通过CPCI协议通信；ARM使用自定义总线协议将数据写入到FPGA的RAM缓存，然后使用CPCI接口发送给主控机，反之亦然。FPGA能识别CPCI的信号给ARM产生中断，也能够识别ARM的信号给CPCI产生有效中断，还可以通过继电器控制板卡上电、下电、复位，能通过IO控制实现ARM的ISP（在线升级，仅需控制一个ARM管脚）功能并产生背板触发信号。

下文从FPGA设计、ARM设计和通信机制三方面进行说明。

2 FPGA设计

如图2所示，FPGA内部主要包括CPCI协议、IO_MEM、ARM解码、读中断产生、CPCI中断产生、电源控制等模块[2-3]。FPGA芯片根据使用资源和成本选择Xilinx公司的XC2S100，最后使用387个Slice寄存器(占比16%)、882个LUTs(占比36%)。

2.1 CPCI协议模块

2.1.1 协议

CPCI协议兼容PCI2.2协议，扩展了部分用户接口，所以模块按照标准PCI2.2协议完成，实现配置空间管理、IO读写、Memory单字读写、Memory突发读写、仲裁和中断等功能。协议细节参看文献[4]、[5]。

2.1.2 FPGA仿真

对ISE布线后的文件用ModelSimXE进行时序后仿真，下面给出通过CPCI总线进行Memory突发读写的仿真，因IO读写和Memory单字读写时序与Memory突发读写类似，在此不再赘述[6-8]。

图3上半部分是Memory突发写的时序过程，在地址0xd000处连续写入10个依次递增的32 bit数据，起始数据为0x15896345。下半部分是写完之后的Memory突发读时序，可见从0xd000读出的连续若干32 bit数据，与写入完全一致。

此CPCI板卡在插入实际机箱槽位时出现这样的问题：某些厂家的机箱特定槽位插入会死机。该问题使用市面上的成品CPCI板卡也会遇到，经过分析，修改了CPCI板卡协议里的一个关于CPCI桥的接口，死机情况不再发生。

2.2 IO_MEM模块

本模块由3个双口RAM组成，在CPCI系统中命名为BA0、BAR1、BAR2，BAR0和BAR2是16 B的IO空间，仅支持单个字读取，BAR1为2 048 B的MEM空间，支持单字读写和突发读写。其中BAR1仅支持1 B的空间访问，只用来进行电源控制和ISP，不可通过其他外设访问。

2.3 ARM解码模块

本模块实现FPGA与ARM之间IO和Memory接口时序，因两者时序基本相同，以Memory时序为例说明，定义如图4和图5所示。硬件接口由时钟、使能、RAM选择、读写选择、地址数据总线（8根）组成。特别需要注意的是，时钟线必须连接到FPGA的全局时钟管脚上。

Memory读/写时序必须保证在地址A有效之后的第2个时钟周期开始接收/输入数据，32 bit数据由4 B组成，按低位字节到高位字节的顺序输出/输入，数据组合/拆分由ARM完成。接收/写入不同地址段的数据必须先使en_arm无效，然后再使能。

2.4 ARM读中断

当FPGA内部的BAR0写有效时使能int_arm，该信号会触发ARM的外部IO中断。通过CPCI接口往BAR0写入任何数据均可产生一个脉冲触发信号，可以使用此信号去中断ARM。

2.5 CPCI中断

ARM需要给CPCI产生中断，机制如下：

(1)ARM给IO0空间偏移地址2写入0x01，在INTA#上出现低电平触发信号；

(2)主控机检测到此电平触发中断，马上禁止中断，往IO1空间偏移地址0写入0xfb，之后INTA#被拉高，此时ARM无法通过步骤(1)再次发送中断，也就是说，INTA#无法被ARM拉低；

(3)主控机处理完临界代码之后，往IO1空间偏移地址0写入0xfa，允许ARM产生中断，也即，ARM可以通过步骤(1)再次产生中断。

2.6 外围控制

电源控制和触发信号都是通过ARM或者主控机给CPCI的特定空间写入预定信息，检测信息之后做出相应的处理[6]。

(1)主控机向BAR2空间的0偏移写入0xff、0xfe、0xfd、0xfc实现上电、掉电、复位、ISP功能；

(2)主控机往BAR2空间的0偏移写入一个小于128的数，此数值是给背板产生的触发脉冲个数；

(3)ARM往BAR0空间的1偏移写入一个小于256的数，此数值是给背板产生的触发脉冲个数，ARM能产生的触发脉冲比主控机多一倍。

3 ARM设计

在本系统中，ARM和FPGA的总线连接使用IO口模拟实现。按照前面描述的时序，ARM中接口相关功能有：

(1)响应中断信号，读取、执行IO命令；

(2)读取IO数据；

(3)读写Memory数据。

因接口时序的ARM代码实现较简单，在此不再赘述，具体的实现机制可参看后续的通信机制设计。

4 通信机制设计

从CPCI的角度看，ARM和主控机为主设备，FPGA为从设备。对于FPGA来说，CPCI接口和ARM接口完全独立，但是两者都可以对RAM进行读写，如果没有一个协调机制，很可能发生读写冲突，必须有一个规则来协调数据的传送[9-10]。因为CPCI为标准接口，所以需要定义的是FPGA和ARM的接口和主控机驱动读写规则，下面介绍FPGA和ARM的接口和主控机读写规则。

主控机与ARM需要交互的数据全部放在FPGA的RAM中进行缓冲。实现规则如下：

(1)IO空间只分配1 B，存放主控机发送的命令；

(2)Memory中读写空间分开，偏移0～999为主控机写、ARM读数据空间，1 000～2 048为主控机读、ARM写数据空间。

图6描述了ARM、CPCI和主控机的数据流向和读写流程。为避免系统读写冲突，需按照如下规则执行操作：

(1)ARM读写CPCI的Memory空间之前，使write_acc或read_acc无效，读写完毕使之有效。

(2)主控机读Memory时首先读read_acc，如果有效，开始读所需内存，否则等待一段时间重试；写Memory时首先读write_acc，如果有效，开始往指定内存写数据，否则等待一段时间重试；主控机对IO的写不需要读write_acc。

(3)主控机写Memory一般过程为：先根据所需命令确定需要将数据写入哪些空间，然后将配置数据写入Memory中，最后把控制命令写入IO空间；读Memory则直接读取数据。

本方案用于数据采集卡、数字基带模拟卡、本振信号发生卡、中频变频接收卡等多种功能应用，兼容研华、凌华等几大厂家的工控机箱。

5 结束语

本文给出了一种基于FPGA的CPCI系统设计方案，介绍了实施基本框架、CPCI协议、自定义总线通信协议和通信冲突避免机制，按照设计方案实现了低成本、高密度、易扩展的CPCI通信系统，在工程上便于实现，能广泛应用于工控和测量领域，对类似设计提供了参考。