一種實用的VXI總線寄存器基接口電路的設(shè)計

1 dtb及dtb仲裁

dtb（數(shù)據(jù)傳輸總線）及dtb仲裁是vxi接口的核心，dtb主要包括：尋址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。其主要任務(wù)是：①通過地址修改碼（am）決定尋址空間和數(shù)據(jù)傳輸方式。②通過ds0*、ds1*、lword*、a1控制數(shù)據(jù)總線的寬度。③通過總線仲裁決定總線優(yōu)先使用權(quán)。

vxi總線器件在a16（16位地址）尋址時，有64字節(jié)的地址空間，其呈部分作為器件配置寄存器地址（已具體指定），其余可用作用戶電路端口地址。每個器件的寄存器基地址由器件本身唯一的邏輯地址來確定。地址修改線在dtb周期中允許主模塊將附加的器件工作模式信息傳遞給從模塊。地址修改碼（am）共有64種，可分為三類：已定義修改碼、保留修改碼和用戶自定義碼。在已定義的地址修改碼中又分為三種：①短地址am碼，使用a02～a15地址線；②標(biāo)準(zhǔn)地址am碼，使用a02～a23地址線；③擴(kuò)展地址am碼，使用a02～a31地址線。a16短地址尋址主要是用來尋址器件i/o端口，其地址修改碼為：29h、2dh。

圖2為vxi器件尋址電路圖，其中u1為可編程邏輯器件，其表達(dá)式為：vxiena*=as*+！iack*a14+！a15+！am5+am4+！am3+am1+！am0；（！iack*表示系統(tǒng)無中斷請求）。尋址過程為：當(dāng)vxi主模塊發(fā)出的地址修改碼對應(yīng)為29或2d、總線上地址a6～a13和邏輯地址設(shè)置開關(guān)k1的設(shè)置相同并且地址允許線as有效時，圖2中的myvxiena*有效（為低），表示本器件允許被vxi系統(tǒng)尋址。在允許本器件尋址的基礎(chǔ)上（即myvxiena*有效），再通過myvxiena*、a1～a5、lword*、ds0*、ds1*譯碼生成64字節(jié)地址，根據(jù)vme總線協(xié)議可譯出單字節(jié)地址和雙字節(jié)地址。協(xié)議協(xié)定：當(dāng)單字節(jié)讀寫時，奇地址ds0*為低、ds1*為高，偶地址ds1*為低、ds0*為高，lword*為高；雙字節(jié)讀寫時，ds0*和ds1*為低、lwodr*為高；四字節(jié)讀寫時，ds0*、ds1*和lword*都為低。

dtb數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)答主要依賴dtack*和ds0*之間的互鎖性握手關(guān)系，而與數(shù)據(jù)線上有效數(shù)據(jù)什么時候出現(xiàn)無關(guān)，所以單次讀寫操作的速度完全決定應(yīng)答過程。為適應(yīng)不同速度用戶端口讀寫數(shù)據(jù)的可靠性，本文采用由用戶端口數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好線（datready*）去同步dtack*答應(yīng)速度的方法來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行?。該方法的?yōu)點是電路簡單、使用方便，缺點是占用dtb時間長，影響vxi系統(tǒng)性能，且最長延時時間不得超過20μs。通常情況下用戶可通過數(shù)據(jù)暫存的方法實現(xiàn)數(shù)據(jù)可靠傳輸，并使用戶端口數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好線（datready*）接地。由于寄存器基器件在vxi系統(tǒng)中只能作為從模塊使用，所以其總線請求只有該器件發(fā)生中斷請求時才由中斷管理模塊提出。

2 中斷請求及仲裁電路

vxi系統(tǒng)設(shè)有七級中斷，優(yōu)先中斷部遲疑不決包括：①中斷請求線irq1*～irq7*；②中斷應(yīng)答線iack*；③中斷應(yīng)答輸入線iackin*；④中斷應(yīng)答輸出線iackout*。從系統(tǒng)的角度看，在vxi系統(tǒng)中有一個成菊花鏈的中斷查詢系統(tǒng)。當(dāng)vxi系統(tǒng)中有中斷請求時，中怕管理器使中斷應(yīng)答信號iack*有效（置低），并送往菊花鏈驅(qū)動器，菊花鏈驅(qū)動器使輸出iackout*有效，送至相鄰的下一個器件。如果相鄰器件沒有中斷請求，則該器件的iackout*輸出仍為低，繼續(xù)向下一個相鄰器件傳送；當(dāng)此器件有中斷請求時，所以其輸出iackout*為高，進(jìn)入中斷過程，并屏蔽后級器件的中斷應(yīng)答。

為實現(xiàn)中斷請求和中斷仲裁，每個器件的中斷仲裁電路應(yīng)完成的功能為：①產(chǎn)生中斷請求；②上傳狀態(tài)/識別碼；③屏蔽后級中斷應(yīng)答。本文設(shè)計的中斷仲裁電路如圖3所示。其中tx1～tx3來自中斷號選擇跳線器，inner-irq為器件內(nèi)部用戶電路中斷請求信號，上升沿有效。中斷請求過程分如下四步：（1）在系統(tǒng)復(fù)位或中斷復(fù)位（來自控制寄存器）后，irqopen*為“1”使比較電路輸出“1”，使中斷應(yīng)答菊花鏈暢通，且譯碼電路不工作。（2）當(dāng)本器件內(nèi)有中斷請求時，使irqopen*為“0”，則譯碼電路根據(jù)中斷置位開關(guān)的設(shè)置輸出相應(yīng)中斷請求信號irqx *。當(dāng)中斷管理器接收中斷請求信號后使iack*有效，并送往中斷菊花鏈驅(qū)動器使之輸出iackout*有效，同時中斷管理器請求dtb總線使用權(quán)。（3）當(dāng)中斷管理器獲得dtb使用權(quán)后，根據(jù)接收到的中斷請求信號，在地址允許線as+作用下在地址線上輸出相應(yīng)的a1～a3地址，使比較器輸出“0”，從而使iackout*變高，屏蔽后續(xù)中斷，并清除本器件內(nèi)部中斷請求。（4）中斷管理器使數(shù)據(jù)允許信號ds0*為低，讀出器件狀態(tài)/識別碼，響應(yīng)中斷，同時在ds0*的上升沿清除中斷請求（使irqopen*為“1”），接通中斷應(yīng)答菊花鏈，進(jìn)入中斷過程。

3 可編程器件實現(xiàn)和調(diào)試

為了克服用中小規(guī)模集成電路實現(xiàn)vxi接口電路存在的體積大、可靠性差和可調(diào)試性差等不足，可采用可編程器件實現(xiàn)接口電路。本文采用的器件是altera公司的max系列，采用的器件可編程軟件平臺的max+plusii。max+plus ii在編程上提供了多種電路描述形式，主要有圖形描述、ahdl描述和vhdl描述等。本文采用圖形描述和ahdl描述相結(jié)合的描述方法。接口電路的主框架結(jié)構(gòu)和能夠用標(biāo)準(zhǔn)元件表述的子模塊電路用圖形描述方法設(shè)計，部分功能子模塊用ahdl語言描述。這種設(shè)計方式的電路原理結(jié)構(gòu)直觀、功能描述簡潔。vxi接口電路硬件描述子程序模塊由地址修改碼器件尋址、端口地址譯碼、中斷請求及控制、寄存器配置四部分組成。

在vxi器件中，寄存器配置步驟是必不可少的，vxi寄存器基器件主要配置寄存器有：識別/邏輯地址寄存器、器件類型寄存、狀態(tài)/控制寄存器。在接口電路的性質(zhì)特性明確的前提下，寄存器基器件的配置是確定的，所以直接在可編程器件中實現(xiàn)，且更改也很方便。以下列出的是vxi寄存器基接口電路的主要邏輯表達(dá)式（用ahdl語言格式）：

vxiena=as#！iack#！a14#！a15#！am5#am4#！am3#am1#！am0；

myvxiena=vxiena#（a6$q0）#（a7$q1）#(a8$q2)#(a9$q3)#(a10$q4)#(a11$q5)#(a12$q6)#(a13$q7);

acked=(tx1$a1)#(tx2$a2)#(tx3$a3)#iack#!sysrst#!irqpend#as#iackin;

dtacknode=!(ds0&ds1#myvxiena&acked);

drack=dff(dtaknode,sysclk,vcc,vcc);

ioena=myvxiena#ds0&ds0&ds1#!lword;

iackout=as#iackin#!ack;

需要注意的是，在使用中由于部分信號線與vxi背板總線連接時需要采用集電極開路方式接入，如dtack*、sysfail*、brx*等，所以應(yīng)增加一級集電極開路門電路后再與vxi背板總線連接。

接口電路調(diào)試有兩種方式，一是利用labwindow/vci開發(fā)工具預(yù)先編好一個帶操作軟面板的調(diào)試程序，它包含有各項功能調(diào)試控件和相關(guān)信息顯示窗。在調(diào)試電路時只需根據(jù)提示在軟面板上操作，就可及時得到信息顯示。這種調(diào)試電路方法方便、直觀，但由于調(diào)試程序的封裝會使得調(diào)試細(xì)節(jié)不透明。另一種形式是在ni公司提供的vxi資源管理器中對端口電路進(jìn)行操作、調(diào)試。這種方法是硬件開發(fā)人員主要采用的形式。主要過程為：先打開t&m explore對vxi系統(tǒng)初始化；啟動vxi系統(tǒng)初始化；啟動vxi interactive control面板，在bus access中通過修改偏移地址（offset）、輸出值（value）和觀察輸入值來對接口電路進(jìn)行調(diào)試。在調(diào)試過程中，為便于數(shù)據(jù)或波形的穩(wěn)定測試、觀察，一般將輸出數(shù)據(jù)的循環(huán)次數(shù)（count）設(shè)成一個較大數(shù)。這種調(diào)試方式雖然不很直觀，但卻非常靈活，容易發(fā)現(xiàn)硬件電路細(xì)節(jié)不足。

在vxi接口電路設(shè)計方面，只要遵循vxi總線協(xié)議，其具體實現(xiàn)方法多種多樣。本文從vxi總線協(xié)議出發(fā)詳細(xì)闡述了一種vxi寄存器基接口電路的設(shè)計方法和工作原理，并介紹了可編程器件實現(xiàn)方法和調(diào)試方法。用可編程電路使vxi接口電路模塊化、格式化，可縮短vxi總線器件的研制周期、縮小器件體積，提高器件的可靠性。該接口電路已在vxi數(shù)字i/o、vxi特征分析儀中使用。隨著儀器儀表技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)的 發(fā)展，vxi總線作為高性能測試系統(tǒng)儀器的背板總線，將在航空航天、雷達(dá)、通訊等領(lǐng)域的測試中占據(jù)越來越重要的地位，開發(fā)高性能vxi總線器件是目前較熱門的研究方向。