FPGA总线桥接在特种计算机中的应用设计

本文针对特种计算机的多接口、微型化特点，以FPGA 为核心将总线桥接技术应用于特种计算机设计中，不仅完成计算机电源控制功能，而且以一颗主芯片实现多接口的传输应用，节约PCB 布局面积，节省整机空间。该应用包含以太网、UART、USB 以及CAN 总线等多种接口，设计灵活、稳定性高。

近年来，特种计算机的特点逐渐朝着抗恶劣环境、高性能、高可靠、多接口、微型化趋势发展。其中，计算机多接口特点的实现通常采用多个专用芯片来完成板载设计以及使用多个专用扩展卡来完成扩展设计，该种设计不仅与微型化相矛盾而且会产生整机内部空间拥挤、制作工序复杂、稳定性低等缺点。

本文针对特种计算机的多接口、微型化特点提出基于FPGA 的总线桥接在特种计算机中的应用，即使用FPGA 设计总线桥接技术来替代传统的接口转接芯片或多扩展卡来完成多接口设计，同时将计算机上电管理模块集成在FPGA 内部实现，该应用对于板载接口可以节约PCB 布局面积，对于扩展设计则能节省设备空间布局，能够在保证稳定性的基础上实现计算机的多接口、微型化特点。
 

1 FPGA 概述

FPGA，即现场可编程门阵列(Field ProgrammableGateArrays)，是一种可编程使用的数字逻辑器件，用户以根据自身需求改变其配置信息来实现相应的设计功能，来满足系统设计需求。FPGA 器件在可编程、集成度、性能和可靠性上都比传统数字电路要优越。通过编程设计来完成器件内部逻辑功能配置，既能减少电路设计工作量又可以将电路设计中的信号质量、空间布局等都集成在芯片内部，在保证效果的同时提高工作效率，增加灵活性[1]。目前，FPGA 在市场中已经越来越多的被使用在数字系统设计中，且该技术可以将半导体发展过程中低功耗、高频率、低成本等特点完全体现。未来，FPGA 的特点将集中表现为高规模、高集成度、高性能、低价格。

当前主流FPGA 芯片提供商为Xilinx、Altera、Lattice、Actel、Atmel 等，前两者市场占有率在60%以上，而ACTEL 主要涉及军品和宇航级市场。本文采用Xilinx 品牌系列产品，将FPGA 芯片的高集成度、高性能等特点使用在计算机接口扩展应用上，既能保证接口数量和性能，又能节省设备结构空间布局，同时具有设计灵活等显著特点。

2 FPGA 总线桥接在特种计算机中的应用

在特种计算机设计中因客户的特殊应用环境不同，决定了特种计算机的多接口特点，在面向主流应用中，采用专用芯片来实现多接口的方式价格昂贵、占用PCB 面积大，设计不灵活，本文涉及应用以FPGA 逻辑桥接为核心，使用模块化设计方案，以FPGA+ 接口芯片的方式实现不同接口的通信。在FPGA 部分，包括外部接口单元、PCIE 接口单元、逻辑桥接单元以及计算机电源管理单元，四个逻辑单元均集成在FPGA内部，对于计算机系统，FPGA 芯片以DMA 模式挂接在PCIE 总线下，其为PCIE 桥设备。电源管理单元将计算机电源时序控制以及系统部分信号控制集成在FPGA 内部，该单元与接口通信为相互独立功能单元。如图1 为整个系统结构框图。

图1 FPGA 总线桥接应用示意图

2.1 逻辑桥接单元
如图2 所示在该部分主要以逻辑控制为核心，在数据通信中，FPGA 内部设计局部总线实现PCI-E 到各接口的逻辑桥接，每一个接口模块都挂接在该局部总线上，逻辑桥接模块通过地址线、数据线、控制信号线（包括读写信号线和片选信号线）与各接口模块通信，各个接口模块的内部分为顶层逻辑控制模块和接口处理模块。顶层控制模块负责完成相应接口协议与局部总线协议的转化，接口处理模块负责完成FPGA 与外部接口的数据传输。通过协议转换以及局部总线桥接完成PCIE 与各接口模块的信号通信。

图2 逻辑桥接单元

2.2 PCIE 接口单元
PCIE 接口单元为FPGA 与计算机系统通信的通道，也是接口数据传输的通道，该单元为由FPGA 内部PCIE 硬核层和PCIE 软核（IP 核）构成，通过例化硬核和编写应用层逻辑，即可直接使用FPGA 厂家提供的IP 核实现PCIE 端点(Endpoint) 设备功能，利用系统PCIE 总线将设备和计算机系统进行链式 DMA 高速数据传输[2]。该过程主要完成PCIE 协议的解析，在将解析后的信号数据通过逻辑控制模块转换协议后存放于局部总线缓冲器，待进一步与对应模块通信完成PCIE—外部接口的逻辑桥接。外部接口至PCIE 的数据通信与之相反，逻辑控制模块从局部总线读取数据并转换协议后通过PCIE 送至系统。该部分逻辑图如图3 所示。

图3 PCIE 接口单元