（电力电子与电力传动专业论文）高速数据采集及存储系统的研制(1).pdf

关系要求极为严格，本系统使用了p c i 9 0 5 4 总线控制器， 简化了复杂的p c i 总线规范，增加了系统可靠性，缩短了 设计周期；由于系统涉及高速电子线路的设计，本论文应 用了电子设计自动化( e d a ) 技术，采用复杂可编程芯片 ( c p l d ) 来实现大部分的逻辑控制，并且应用了硬件描述语 言( h d l ) 进行逻辑关系设计，不仅使逻辑简单可靠，而且减 少了布线的复杂程度，抗干扰性强，具有高性能和高可靠 性的优点。在本文中还讨论了高速电子线路的相关问题， 应用仿真软件确定匹配阻抗以及在p c b 板设计中应注意的 有关事项。 在软件设计方面，论文对系统的工作流程作了详细的 描述，并分别介绍了逻辑控制程序，驱动程序和应用程序 的基本原理和框架，给出了详细的逻辑描述程序，并且全 面地介绍了系统调试过程和所遇到的问题，给出了相应的 解决办法，最后通过软硬件的结合实现了设计要求。 该系统现已完成设计和调试，在国际合作项目”双 星”计划的前期调试中进行了应用，数据的采集和存储效 果良好，达到了1 5 0 m b p s 的下传接收目标，系统设计与技 术的通甩性可应用于其它相似的系统中。 7 本系统的实现具有国内领先水平，对于我国军用，资 源等卫星的实践应用具有很大的意义。 关键词：p c i ，c p l d ，f i f o ，e d a ，h d l 姓名：王树志学号0 1 1 2 0 7 2导师：周希终 t h ed e s sig n0 fhig h - s p e e dc o m p u t e r r e c e i v i n g n ds t o r i n gs y s t e m b s t 卧c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o ft h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , s a t e l l i t e sh a v eb e e n a p p l i e d i nm o r ea n dm o r ef i e l d sa n d g r e a t e r d a t ah a sb e e nt r a n s f e r r e d b y s a t e l l i t e s n o wt h e d a t a d e a l i n gs y s t e m sw i t h8 4 4 8 m b p sa r ew i d e l yu s e di no u r c o u n t r y ss a t e l l i t e s t h e ya r ed i f f i c u l tt om e e tt h et r a n s f e r d e m a n d o f h u g e a m o u n to f d a t a s oi ti sa n i m p e r i o u st a s kt o d e v e l o p am o r e p o w e r f u ld a t a d e a l i n gs y s t e m t h ep a p e r , a sap r e - r e s e a r c hp r o g r a mo ft h ei n t e m a t i o n a l c o o p e r a t i o np r o j e c t ( d o u b l es t a r ”p l a n ) ，m a i n l ys t u d i e st h e r e c e i v i n gp a r t o ft h e s a t e l l i t e s d a t a - d e a l i n gs y s t e m a n d d e s i g n sar e c e i v i n ga n ds t o r i n gs y s t e mt om e e tt h en e e do f s a t e l l i t e s h i g h s p e e dd a t at r a n s f e r t h es y s t e mw i l ls u p p o r tt h e s a t e l l i t e st o t r a n s f e rd a t aa n d i m a g e i nr e a l t i m e w i t h 姓名：王树志学号：o l l 2 0 7 2导师：周希德 h i 曲- s p e e d a n ds u i tt ot h eg r e a t e rd a t as t r e a m t h e p a p e r i sb a s eo nt h et e c h n o l o g yo fp c ib u sa n ds t u d y t h et h e o r ya n ds t r u c t u r eo ft h eh i g h s p e e dd a t ar e c e i v i n ga n d s t o r i n gs y s t e m i t a l s od e s c r i b e st h e r e c e i v i n g a n d s t o r i n g m i n d si nt h ew i n d o w s2 0 0 0o p e r a t es y s t e m t h ew o r kc a nb e d i v i d e di n t ot w or e s p e c t s ：h a r d w a r e d e s i g n a n ds o f t w a r e d e s i g n i nt h e r e s p e c t o fh a r d w a r e d e s i g n ，b e c a u s e o ft h e c o m p l e x i t yo f p c ib u ss p e c i f i c a t i o na n ds t r i c tt i m i n g r e l a t i o n ， w e a p p l i e dp c i 9 0 5 4b u sc o n t r o l l e rt os i m p l i f yt h ec o m p l e x i t y o fp c is p e c i f i c a t i o n s ，e n h a n c et h er e l i a b i l i t ya n dr e d u c et h e d e s i g np e r i o d d u e t oi n v o l v e di nt h e h i g h - s p e e d e l e c t r i c d e s i g n ，t h es y s t e ma p p l i e st h ee d a t e c h n o l o g ya n dc p l d d e v i c e st or e a l i z et h em o s tc o n t r o ll o g i c s oi ti s n e c e s s a r yt o a d o p th d lt oc o m p l e t eo u rd e s i g n t h u s ，w er e d u c et h e c o m p l e x i t yd e g r e eo fp c br o u t e ra n dt h es y s t e mh a sg o o d p e r f o r m a n c eo fa n t i - j a m m i n ga n dr e l i a b i l i t y t h ep a p e ra l s o e x p l i c a t e st h ei n v o l v e dr e s p e c to f h i g h s p e e de l e c t r i cd e s i g n ， s u c ha st h ed e t e r m i n eo f m a t c h i n gi m p e d a n c eo nt h eb a s eo f e 姓名：王协志导i l | 1 l ：周希德 s i m u l a t i o ns o f t w a r ea n ds o m e q u e s t i o n s s h o u l db e p a y a t t e n t i o nt oi nt h ep c b d e s i g n i nt h e r e s p e c t o fs o f t w a r e d e s i g n ，t h ep a p e r d e s c r i b e sd e t a i l w o r k i n gp r o c e s so f t h e s y s t e m i ti n t r o d u c e st h eb a s ep r i n c i p l e a n dt h ef r a m eo ft h ec o n t r o ll o g i cp r o g r a m ，t h ed r i v e r p r o g r a m a n dt h ea p p l i c a t i o np r o g r a m r e s p e c t i v e l y i ta l s og i v e sd e t a i l c o n t r o l l o g i c l i s t t h e nt h e d e b u gp r o c e s s i s c o m p l e t e l y d e s c r i b e da n ds o m eq u e s t i o n sa n da n s w e r sa r e g i v e nw h i c h c a nb ea sr e f e r e n c e a tl a s tt h e s y s t e mi s r e a l i z e db yt h e i n t e g r a t i o no f t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r e n o wt h es y s t e mh a sp a s s e dt h ed e s i g na n dd e b u ga n di t h a sb e e n a p p l i e d i nt h e p r o p h a s e t e s to ft h e “d o u b l es t a r p l a n t h er e s u l ts h o w si t r u n sw e l ia n dm e e t st h ed e m a n do f 15 0 m s sd a t ar e c e i v i n ga n ds t o r i n gd e s i g nt a r g e t i tc a r la l s o b e a p p l i e di nt h eo t h e rf i e l d ss i m i l a r t h e s y s t e m h a sr e a c ht h ea d v a n c e dl e v e li nd o m e s t i cf i e l d s a n dh a si m p o r t a n tp r o m o t i o nt oo u r c o u n t r y sa p p l i c a t i o no f t h e r e s o u r e s a t e l l i t e s ，m i l i t a r y s a t e l l i t e sa n ds oo n k e y w o r d s ：p c i ，c p l d ，f i f o ，e d a ，h d l 一6 - 高速数据采集及存储系统的研制 第一章概述 1 课题背景 空间物理和空间环境探测对空间知识创新、空间探测技术创新及 空间物理研究和空间环境预报的创新起着至关重要的作用。我国在空 间运载技术方面已进入国际先进行列，但在空间探测技术方面与国际 上空间国家相比还有较大差距。这是限制我国空间科学和技术发展的 重要因素之一。 我国正在实施知识创新工程，中国科学院己将空间科学和空间技 术列为创新的重点领域之一。我国空间物理晃一直盼望提出一个高水 平的，在国际上有一定地位和影响的空间物理探测计划。经过几年的 酝酿，由中国科学院空间物理学家刘振兴院士牵头，国内有关单位的 科学家参加的专家小组经多次讨论，于1 9 9 7 年初提出了“地球空间双 星探测计划”( 简称双星计划。双星计划中的两颗卫星分别是赤道区卫 星和极区卫星) ，并在1 9 9 7 年4 月举行的香山科学讨论会上做了报告， 受到了与会专家和国家有关部门领导的重视。 2 0 0 0 年1 月7 日，中国科学院在北京召开了“双星计划”科学目 标和有效载荷方案的评审会。评审委员会由王大珩等七位院士参加的 l3 位专家组成。评审委员会一致通过双星计划科学目标和有效载荷方 案的评审。专家们认为：双星计划具有重大的科学和应用意义，是一 个重要的地球空间探测计划，受到国际空间界同行的重视和欢迎，可 带动我国空间探测技术的发展，提高我国空间物理研究和空间天气预 报研究的创新能力，对提高我国在国际空间界的地位和作用具有重要 的战略意义。评审委员会建议：在通过大总体方案可行性报告评审后， 6 高速数摄采集盈存储系统的研剖北京交通大学学位论文 有关主管机关尽快批准双星计划的立项并抓紧实施。 双星计划概述 双星计划是根据目前存在的重大空间物理问题和我国的重大需求 提出来的。 双星计划包括的两颗小卫星运行于目前国际上地球空间探测卫星 未能覆盖的两个磁层重要活动区：一是近地赤道活动区；一是近地极 区活动区，这两个区域正是磁层空间暴的发生区。这两颗小卫星相互 配合，构成具有独立系统的有显著特色的双星探测计划。 双星计划的科学目标集中在目前最具有挑战性的重大科学问题： 磁层空间暴的触发机制和物理模型方面。 地面应用系统 由于在地球空间环境中，地球空间暴的产生是突发性的，往往难 于预料，所以在双星计划的进行过程中必须要有强有力的地面科学和 技术支持，以获得更多的科学成果。 双星计划地面应用系统是地球空间双星计划的地面科学与技术支 持系统。它针对双星计划相对长期的空间科学探测任务，开展双星的 业务运行管理和科学应用研究。 双星计划地面应用系统的目标和主要任务 双星地面应用系统是以支持地球空间双星的科学探测和科学研究 应用为目标。其主要任务是： ( 1 ) 开展双星业务测控和有效载荷的在轨运行管理工作，负责 探测数据的接收、处理、存储管理、数据分发，以及发射前有效载荷 高速数据采集及存储系统的研制 北京交通太学学位论文 的地面综合测试工作： ( 2 ) 根据双星的科学和应用目标，制定科学探测计划和科学研 究计划，协调双星有效载荷的工作模式； ( 3 ) 组织双星科学工作队有关科学家进行科学数据分析和应 用研究，同时搜集国内外相关数据开展双星探测数据的综合研究和预 报； 、 ( 4 ) 开展国际科学合作研究，负责对外的科学研究联络与宣 传、数据交换等工作。 与其它一般的地面系统不同的是，双星计划地面应用系统是将双 星的业务运行支持和科学研究分析紧密结合。无论是在发射前，还是 在轨业务运行过程中，双星计划的科学家们都将始终与工程师们紧密 配合。科学家将会根据双星的科学目标及时制定探测目标和探测计划， 而作为技术支持的工程师们则会全力满足科学家们的要求，及时确定 卫星工作状态，以获得更多的科学成果。 双星计划地面应用系统的一个重要任务是对卫星有效载荷的处 理，包括数据采集接收，有效载荷监控管理和数据预处理等功能。考 虑到双星的轨道特点和其高速数据的下行需求，对高速数据的接收和 存储是地面应用系统的重要部分。本课题就是作为双星计划地面应用 系统的数据采集接收部分，要求研制出可达到2 0 m b y t e s 的数据采集 和存储系统，它的研制工作对整个双星计划地面应用系统的正常运行 有着重要的影响。 2 卫星下传数据简介 卫星下传数据的总体示意图如图卜l 所示： - 8 高速数据采集及存储系绩的研制 图卜l 卫星下传数据示意图 卫星上的数据通过无线信号发送到卫星地面接收站，经过解调后 还原成为基带信号流，经过微波调制后，发送到数据接收中心，再经 过二次解调后成为基带信号流，进入数据接收与存储系统。在数据存 入系统后，通过网络共享即可进行各种数据处理。 图卜2 是地面有效载荷系统的示意图： 高速教据采集盈存储系统的研制 北京交通大学学位论文 图卜2 有效载荷系统示意图 3 系统的性能指标和难点 从上述卫星数据下传过程示意图可以看出，数据采集和存储系统 是地面接收系统的关键部分之一，如果系统达不到性能要求，会对整 个计划产生影响。对此部分的具体性能要求如下： ( 1 ) 达到1 5 0 m b p s ( 2 0 m b y t e s ) p _ 上的接收速率。 ( 2 ) 具有应付突发数据接收和存储的能力。 ( 3 ) 具有应付长时间数据接收和存储的能力。 可见，系统对接收和存储装置的准确性，实时性要求很高，由于 数据下传的速度高，突发性强，传输时间长，要求系统必须具有高频 处理的能力，能够消除高频串扰的影响，实时准确地将数据存入非易 失性存储器件( 如硬盘) 。 系统的设计难点主要有以下几方面 1 0 高速数据采集及存储系统的研制 北京交通大学学位论文 f 1 1 数据下行速率高，控制要求严格的时序关系。 ( 2 ) 数据信号和控制信号频率高，可能产生较严重的串扰。 ( 4 ) 要求快速的接收，处理和存储速度。 4 系统方案和系统框图 在系统方案的设计中，提出了两种方案，第一种方案是从数据进 入到经过串并转换和预处理后，直接进入缓冲存储器，通过总线控制 器进入计算机存储系统，进机后再进行数据和图像的处理和解码，最 后完成数据的和图像的显示工作。其功能框图如下： 区丑医匠卜区亟习4 匾何 另一种方案是从数据进入到经过串并转换和预处理后，数据先进 入高速数字信号处理器( d s p ) ，由d s p 实时完成数据和图像的处理和 解码，然后将完全处理完毕的数据和图像通过总线控制器传给计算机， 计算机在存储数据的同时即可实时的显示数据和图像，其功能框图如 下： 很明显，第二种设计方案具有更好的性能，更高的要求，在科学 探测和军事应用中更加实用，但由于第二种方案投入科研经费过大， 并且参加本系统研制的人员发生了变化，决定先采用第一种方案，完 全实现设计要求后再求进一步的发展。第一种方案在完成后会为第二 种方案打下基础。 5 论文设计中应用的主要器件 由于本系统最大的要求是对高速数据的处理能力，因此为了实现 1 1 高速数据采集及存储系统的研制 北京交通大学学位论立 系统要求，并且尽可能的使系统简单可靠，在本设计中必须采用一些 复杂的高速器件来完成，主要采用了以下器件： 复杂可编程逻辑器件( c p l d )由于本系统逻辑控制复杂，且多 涉及高频电路的处理，若布线过多必然会引起严重的串扰问题，必须 尽可能地减少布线复杂性，同时又要保证控制逻辑的完整准确，因此 在本设计中采用了目前广泛应用的电子设计自动化e d a ( e l e c t r o n i c d e s i g n a u t o m a t i o n ) 技术，采用了可编程逻辑器件来实现控制功能。在 此选用的器件是复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 。 先进先出存储器( f i f o ) 由于数据高速下传，实时性强，并且 持续时间长，系统在进行数据处理和存储过程中又不可避免地会产生 时间延迟，为了避免数据丢失，必须在数据处理和存储时将继续进入 的数据流暂时保存起来，为此设计中采用了大容量的高速先进先出存 储器( f i f o ) 来对数据进行缓存，保证了数据的完整性。 p c i 9 0 5 4 总线控制器在数据存储过程中，高速的数据流要求 有高速的数据总线协议来与之匹配，才能准确及时地将数据存储在计 算机的存储介质中，在当前的计算机总线结构中，只有v i s a ，p c i 等 几种总线可满足高速数据传输的要求。由于p c i 总线通用性强，并且 具有非常大的优点，在本设计中采用了p c i 总线，但p c i 总线规范非 常复杂，实现起来非常困难，很容易产生错误。为了减少设计的复杂 性，加快开发进度，设计采用了p c i 9 0 5 4 总线控制器来实现数据传输 功能。 6 国内外数据采集和存储系统的发展现状 目前随着信息技术的日益创新，数据采集和存储系统在国内外的 发展也非常迅速。在国外高速的数据采集和存储显示系统已经应用在 航天，航空及军事领域中，速率已经达到了几百兆波特率以上，且在 高速数据采集厦存储系统的研制 北京交通大学学位论文 民用领域中也开始应用，但速率较低，一般为一百兆波特率以下。在 国内，高速数据采集卡的开发和研制工作也己不再处于起步阶段，很 多研究机构和科技公司也正在开发越来越高速的系统，但总体说来相 比国外水平还有差距，目前市场上能够买到的数据采集卡多在几兆波 特率以下，最高没有超过8 0 兆波特率的，且与存储系统结合起来，能 够完成数据的实时存储与显示功能的还没有发现。 因此开发本系统对于提高我国数据采集和存储系统的技术水平， 实现在航空航天和军事领域的应用有着重要的意义。 7 本论文的内容结构 本论文的内容结构是这样安排的，根据论文中需要用到的器件， 在第二章简要介绍了c p l d 的原理和硬件描述语言；第三章对p c i 总 线作了较为详细的介绍；第四章详细讲述了系统的硬件设计：第五章 详细讲述了系统的软件设计：第六章讲述了系统的调试过程和结果； 第七章对论文进行了总结和展望；最后是附录和参考书目。 8 本章小结 本章介绍了论文设计的科研背景，设计要求和系统方案，并简单 说明了卫星数据下传的基本框图，最后还介绍了本论文需要用到的主 要器件。在下一章将对器件所涉及的相关概念作相关介绍 高速数据采集厦存储系统的研制 北京交通大学学位论文 第二章c p l d 原理简介 1 e d a 概述 随着电子技术的发展，当前数字系统的设计正朝着速度快，容量 大，体积小，重量轻的方向发展。目前数字系统的涉及可以直接面向 用户需求，根据系统的行为和功能要求，自上而下的逐层完成相应的 描述，综合，优化与验证，直到最后生成所需要的控制芯片。上述控 制过程除了系统行为和功能描述外，其余所有的设计过程几乎都可以 用计算机自动完成，这就是电子设计自动化( e d a ) 。e d a 技术的应用 大大简化了设计的复杂性，缩短了系统的设计周期，已经成为电子设 计中不可缺少的重要手段，目前已经广泛应用于模拟与数字系统等许 多领域，覆盖了从低频到微波，从线性到非线性，从模拟到数字，从 分立元件到集成电路的各个方面。 e d a 的主要特点之一是可以用形式化的方法来描述数字系统的 硬件逻辑电路，即可用硬件描述语言来描述硬件电路，然后通过设计 软件转化成逻辑指令，经过仿真后下载到可编程逻辑器件中，形成真 正的控制逻辑。 2c p l d 技术 可编程逻辑器件( p l d ) 是可以由用户编程实现所需逻辑的数字集 成电路，是e d a 设计中广泛使用的一种器件。如今，高密度的p l d 不仅可以用来实现系统级的电路集成，而且已经成为a s i c 的替代品。 由于大批量的生产中采用了先进的工艺技术，使p l d 的价格不断降 低，同时集成度和密度，性能却不断提高。 1 4 高速数据采筻及存储系统的研制 北京交通大学学位论文 可编程逻辑器件包括所有可由用户配置的数字逻辑电路，有简单， 低密度的p a l ，g a l 器件，也有复杂的现场可编程门阵y f ( f p g a ) _ 手h 复 杂p l d ( c p l d ) 。c p l d 是在p a l ，g a l 基础上发展起来的，它的规模 较大，集成度高，适用于时序，组合等逻辑控制，可以取代几十，几 百甚至上千块通用芯片。这样的c p l d 实际上就是一个子系统部件， 它具有可编程性和实现方案易于改动的特点。 c p l d 和f p g a 的内部连线结构不同。f p g a 的分段式互连结构是 利用不同长度的几种金属线或反熔丝的连接把各个逻辑单元连接起来 的；相反，c p l d 的连续式互连结构是利用具有同样长度的一些金属 线实现逻辑单元之间的互连的。f p g a 的芯片内部连接关系的描述是 存放在磁盘，r o m ，p r o m 或者e p r o m 中的，需要读取出来使用。 而c p l d 是直接把逻辑关系烧录在芯片内部，因此与f p g a 相比，它 的速度更快，芯片尺寸更小。另外，连续式互连结构消除了分段式互 连结构在定时上的差异，并在逻辑单元之间提供了一条快速的，具有 固定延时的通路。c p l d 还具有设计容易，开发周期短的优点。 3 l d 设计的一般流程 c p l d 器件的设计一般可分为设计输入，设计实现和器件编程三个 步骤，及相应的功能仿真、时序仿真和器件测试三个验证过程。如图 2 1 所示。 可编程逻辑器件的性能主要通过两方面来改进和提高，一方面是 集成电路工艺水平的不断提高，另一方面是器件本身是内部结构不断 改进。随着工艺的线宽不断缩小，可编程逻辑器件器件的密度不断增 长。 高速数据采集及存储系统的研制 北京交通大学学位论文 图2 1可编程逻辑器件设计流程 4 自顶向下的设计方法 自顶向下的以行为综合和逻辑综合为基础的高层设计方法是一种 目前流行的电子电路与系统的设计方法。它与传统的电路设计方法在 设计思想上有较大的差异。 自顶向下的设计方法( t o p _ d o w n ) 利用功能分割手段将设计从 上至下进行层次化和模块化，即分层次、分模块进行设计和仿真。高 层次设计进行功能和接口描述，说明模块的功能和接口，模块功能的 更详细的描述在下一设计层次说明，最底层的设计才涉及到具体逻辑 门电路等的实现方式，可以直接用电子设计自动化工具( e d a ) 元件 库中的元件实现。 自顶向下数字集成电路的设计包括四个主要抽象层次：行为级 ( b e h a v i o r a l l e v e l ) 、寄存器传输级r t l ( r e g i s t e r t r a n s f e r l e v e l ) 、门 级( g a t e l e v e l ) 和版图级( l a y o u t l e v e l ) 。 行为级，或称算法级( a l g o r i t h m i cl e v e l ) ，是整个设计的最高抽 象级别，高层次电子设计( h l e d ) 就是指在其上的电子设计或自动 高速数据采集及存储系统的研制北京交通大学学位论文 设计。在这一级，描述的是设计在算法中的行为，目标是最佳的设计 行为功能。这种描述独立于硬件实现，电路的结构( a r c h i t e c t u r e ) 并 没有确定。 寄存器传输( r t l ) 级，或称结构级( a r c h i t e c t u r el e v e l ) ，仍然 独立于实现技术。r t l 描述的特征是设计电路的体系结构，r t l 网表 由各个模块( 如a l u 、r a m 或乘法器等) 互联而成的结构网表组成。 模块主要由组合逻辑和寄存器构成，在局部还可能包含一些可逻辑综 合的行为描述。 门级设计的硬件实现已经基本确定，门级设计的网表是与芯片制 造商工艺库直接相关的网表，电路中所有的工艺器件都要确定。当然， 在这一级中还可进行工艺转换，也就是从一种工艺实现到另一种工艺 实现，它包括相同厂家的不同工艺、以及不同厂家不同工艺之间的转 换。 版图级设计表示电路设计可以转入制造了。 设计从较高层次的描述形式自动转换为较低层次的描述形式的过 程称为设计综合。 集成电路的层次化、结构化设计隐含着硬件设计方案的逐次分解。 如图2 2 所示，在设计过程中的任意层次，硬件至少有一种描述形 式。硬件的描述特别是行为描述通常称为行为建模。在集成电路设计 高速数孵采集及存储系统的研制北京交强大学学位论文 的每一层次，硬件可以分为一些模块，该层次的硬件结构由这些模块 的互连描述，该层次的硬件行为由这些模块的行为描述。这些模块称 为该层次的基本单元。而该层次的基本单元又由下一层次的基本单元 互连而成。如此下去，完整的硬件设计可以由设计树描述。在这个设 计树上，节点对应该层次上基本单元的行为描述，树枝对应着基本单 元的结构分解。在不同层次都可以进行仿真以对设计思想进行验证。 e d a 工具提供了有效的手段来管理错综复杂的层次，即可以很方便地 查看某一层次某模块的源代码或电路图以改正仿真时发现的错误。 在不同的层次傲具体模块的设计所用的方法也有所不同，在高层 次上往往编写一些行为级的模块通过仿真加以验证，其主要目地是系 统性雏的总体考虑和各模块的指标分配，并非具体电路的实现。因而 综合及其以后的步骤往往不需进行。而当设计的层次比较接近底层时 行为描述往往需要用电路逻辑来实现，这时的模块不仅需要通过仿真 来验证，还需进行综合、优化、布线和后仿真。 模块设计流程由两大主要功能部分组成：一个是设计开发，即从 编写设计文件到综合再到布局布线这样一系列步骤；另一个是设计验 证，也就是进行各种仿真的一系列步骤，如果在仿真过程中发现问题 就返回设计输入进行修改。 5 硬件描述语言刚d l ) 对于一个高密度的晶体管芯片，其电路的复杂程度要做到人们可 以理解，就需要隐去它的实现细节而使用高级语言来表达它的功能。 这就是硬件描述n ( h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 产生的原因。这 种新的设计方法就是利用计算机的巨大能力，对用h d l 建模的复杂数 字逻辑进行仿真。并逐步完善后再进行自动综合以生成符合要求的、 在电路结构上可实现的数字逻辑，即网表( n e t l i s t ) 。各种工艺流水线 高建数据采曼及存储系统的研制 北京交通丈学学位论文 6 本章小结 本章简单介绍了电子设计自动化的相关概念( e d a ) 和c p l d 技术， 并对c p l d 逻辑设计的流程进行了阐述，由此涉及的自顶向下的设计 方法和硬件描述语言( h d l ) 也相应进行了简单描述。本设计中的逻辑 控制大部分由c p l d 完成，并采用了h d l 语言。 高速数据采集及存储系统的研制北京交通大掌学位论文 第三章p c i 总线接口 1 计算机总线概述 ( 1 ) 总线概念及分类 计算机总线是计算机各模块之间进行信息传输的通道，它包括通 道控制，仲裁方法和传输方式等内容。随着计算机技术的快速发展， 总线的结构也越来越复杂，总线的功能越来越强。了解总线，对于开 发和设计计算机相关产品的技术人员也就越来越重要。 计算机总线按功能可分为系统总线，内部总线和外部总线三种。 外部总线也被称为i o 总线，内部总线也被称为局部总线，以便和系 统总线区分。 按性能分可以分为高端总线和低端总线。高端总线是指支持3 2 位， 6 4 微处理器的总线，侧重于数据处理能力。低端总线一般指支持8 位， 1 6 及部分3 2 位微处理器的总线，侧重于i o 控制能力。 在总线技术方面，可分为传统总线和现代总线。传统总线依赖于 c p u 处理芯片，有的实际上就是c p u 处理器引脚的延伸。而现代总 线对c p u 的依赖很少，例如p c i 总线就可以不依赖于任何c p u ，具有 良好的兼容性。现代总线的高级特性还体现支持高速缓存，支持多处 理器，可以自动配置等方面。 低端传统总线主要有：i b m p c x t 总线，i s a 总线，s t d 总线等。 高端现代总线主要有：p c i 总线，m c a 总线，v l b u s ( v i s a ) e i s a 总线等。 ( 2 ) 流行总线的性畿比较 总线的性能指标有以下几个方面： 高速数据采集及存储系统的研制 北京交通大学学位论文 总线宽度数据总线的线数，用b i t 表示。有8 位，1 6 位，3 2 位，6 4 位之分。 最大传输率在总线上每秒传输的最大字节数。用m b s 表示。 时钟同步方式总线上的数据与时钟是否同步工作，是称为同 步总线，否则为异步总线。 多路复用地址线与数据线共用一条物理线路，称为多路复用， 否则称为非多路复用。 信号线数总线上全部信号线数的总和。信号线数与复杂程度成 反比。 总线控制方式含有突发方式，并发工作，自动配置，仲裁方式 等内容。 图31 给出了及中流行总线的性能。由于资料来源不一，仅供参 者。 图3 - 1计算机常用总线性能比较表 名称i s ae i s as t dv i s am c ap c i 8 0 2 8 6m m 系列z 8 08 0 4 8 6i b m 公司p c n t i u m 8 0 3 8 63 8 6 ，4 8 6v 2 0 v 4 0p c - a tp c 和工作系列 适用机型 8 0 4 8 6站p o w e r 5 8 6m m - p c p c 系列 a l p h a 工 作站 最大传输1 6 m b ，s3 3 m b s2 口b s2 6 4 m ，s4 0 m 1 3 2 m b ，s 塞 2 6 4 m b s 1 63 283 23 23 2 总线宽度 总线工作 8 m h z8 3 3 m h z2 m m6 6 m h z1 0 m h z0 3 3 m h 频率 同步方同步异步同步 高速数据采集及存储系统的研制北京交通大学学位论文 仲裁方式集中 集中集中集中 逻辑时序 边缘敏边缘敏感电平敏感边缘敏 感感 地址线宽2 4 3 22 03 2 1 6 4 度 负载能86无限定6无限定3 、 力 信号线1 4 39 01 0 94 9 数 6 4 位扩不可可可可可 展 自动配无无 可 置 突发方可可 并发方可 可 引脚使非多路非多路复非多路复 非多路复非多路复多路复 用复用用用 用用用 2p c i 局部总线 ( 1 ) p c i 总线概述 p c i 总线技术是一种比较新的局部总线技术，p c i 总线的概念最早 由i n t e l 公司于1 9 9 1 年提出的，随后i n t e l 于i b m ，c o m p a q 等1 0 0 多家 公司联合制订了技术标准，并在1 9 9 3 年推出了p c i 总线标准的第一个 版本，目前p c i 规范已经修订到2 2 版。 p c i ( p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t 外围设备互连) 总线时一种 高性能的局部总线，可同时支持多种外围设备，其较少的信号线数， 2 4 高建越据采集及存储系统的研制北袁室通大学学位皓文 独立于c p u 的总线结构是优于v i s a 总线的关键之处，当i n t e l 的c p u 芯片从8 0 4 8 6 升级后，p c i 总线在微机中得到了迅速发展，尤其是在 i n t e lp e n t i u m 芯片出现以后，p c i 总线以其优越的性能在x 8 6 微机系 统中取得了绝对的统治地位，计算机性能得到了很大提高，特别在图 形图像技术和高速数据处理方面应用b 趋广泛。而v e s a 总线已逐渐 消失。 、 p c i 局部总线在3 3 m h z 主频和3 2 位数据通路的条件下，达到 1 3 2 m b s 的带宽，在6 6 m h z 主频和6 4 位数据通路的条件下，达到 5 2 8 m b s 。 现在很多工业仪表中也逐渐开始使用p c i 总线技术。然而由于p c i 总线规范涉及的概念较新，时序要求非常严格，逻辑控制非常复杂， 一股工程人员难以掌握并设计出合格的p c i 总线产品。但随着近年来 p c i 接口专用芯片的出现，p c i 总线的应用得到了大力发展。 ( 2 ) p c i 局都总线特点积系统结构 p c i 总线的基本传输机制是突发成组传输。一个突发分组由一个地 址器和一个( 多个) 数据期组成。p c i 总线支持存储器空间和i o 空 间的突发传输。 在一个p c i 总线系统中，如果某设备取得了总线控制权，就称其 为“主设备”；而被主设备选中以进行通信的设各称为“从设备”。p c i 总线可同时支持多组外围设备。同时，p c i 总线不受制于处理器，采 用总线主控和同步操作，并具有极小的存取延时，是一种立足现在放 眼未来的总线标准。 p c i 总线定义t - - 个物理地址空间：内存地址空间、i o 地址空间 和配置地址空间。p c i 总线的配置地址空间使p c i 总线的配置更加简 易和灵活。 高速数据采集及存储系统的研制北京交通太学学位论文 p c i 总线具有以下特点： 1 1 高性能 总线宽度3 2 位，可升级到6 4 位。( 如何升级? ) 支持突发工作方式，传输速度快。 低延迟随机访问。 处理器内存子系统完全一致的能力。f ? 1 总线同步工作频率高 隐含的中央仲裁器f 如何仲裁? ) 2 ) 低成本 优化的互连方式，不采用粘合逻辑( g l u el o g i c ) 。电气性能，驱动 能力和频率参数符合标准的a s i c 规程和其他工艺的要求。 多路复用体系结构减少了管脚个数和封装尺寸。 可在基于i s a ，e i s a 或m c a 的系统中作，减少用户成本。 3 ) 使用方便 p c i 总线插卡和器件都能够进行完全的自动配置，实现即插即用。 4 ) 使用范围广泛 与系统处理器无关，支持多种处理器及将来的新型处理器。 支持6 4 位地址。 同时定义了5 v 和3 3 v 的信号环境规范，并且5 v 环境可平滑过 渡到3 - 3 v 5 ) 可靠性高 扩展板小型化。 可自动优化系统功耗。 3 2 位扩展板和器件可向前兼容，6 4 位扩展板和器件可向后兼容。 充分考虑了局部总线在器件级对负载和频率的要求，取消了缓冲 高速数据采集及存储系统的研制 器和粘合逻辑，从而提高了插卡的可靠性和协作能力。 m c 微通道扩展连接器。 6 1 适应性 完全的多主设备能力，允许任何一个p c i 主设备对等地访问其他 的p c i 主从设备。 7 ) 数据完整性：p c i 总线对数据信号和地址信号提供奇偶校验操作。 p c i 总线在x 8 6 微机上的总线系统示意图如图3 2 所示： 图3 2p c i 总线在x 8 6 微机上的总线系统示意图 上图中，跟p c i 总线直接相连的部件都称为p c i 设备。所有的p c i 设备在数据操作中都可分为两类，一种是主设备，即获得了总线控制 权，并发动数据传输过程的设备；另一种是从设备，是在数据传输中 根据主设备的请求接收或传送数据的设备。p c i 总线与c p u 通过p c i 主桥相连，p c i 主桥是一个关键的p c i 设备，其中包括d r a m 控制器， 它提供了一个高速通道，可以让c p u 直接访问通过它映射到主机内存 空间或i o 空间的p c i 设备，也可以让p c i 主设备直接访问主机系统 高速数据采集厦存储系统的研制 北京交通大学学位论文 内存。主桥还提供数据缓冲功能，使得c p u 与p c i 设备可以并行工作 而不必相互等待。主桥还可以把c p u 总线与p c i 总线隔离起来，使 p c i 总线独立于c p u 。p c i 总线的所有驱动都由p c i 主桥控制。 p c i 扩展总线桥使得p c i 总线能够与其它总线互连，在x 8 6 微机 上的i s a 插槽就是通过p c i i s a 扩展总线桥挂接到p c i 总线上的。其 他面向p c i 的音频处理系统，视频处理系统，网络连接起，s c s u i d e 控制器等都是直接挂接在p c i 总线上。 ( 3 ) p c i 总线规范简介 p c i 总线操作 1 ) c i 总线命令 p c i 插槽共有1 2 4 芯，p c i 从设备必需的信号线有4 7 条，包括地 址数据线，接口控制信号线，错误报告信号线，中断控制信号线等， 对于p c i 主设备还必须两条仲裁信号线。 p c i 总线传输采用命令驱动的方式，总线命令的作用是用来规定 主，从设备之间的传输类型，在总线传输的地址阶段由c b e 3 ：0 # ；j i 脚给出。主设备通过仲裁获得总线的控制权，启动传输过程，从设备 在c b e 3 ：0 # j ：$ 现命令的同时，被a d 3 1 ：o l 地址线选中，随后数据 开始传输。p c i 总线命令如图3 3 所示： c b e 3 ：0 #命令类型 0 0 0 0 中断应答 i n t e r r u p ta c k n o w l e g e ) 0 0 0 1 专中期( s p e c i a lc y c l e ) c b e 3 ：0 0 0 1 0 i g o 读( i or e a d ) 0 0 l l i o 写w ow r i t e ) 0 1 0 0 保留( r e s e r v e d ) 0 1 0 l 保留( r e s e r v e d l 0 1 1 0 存储器读( m e m o r yr e a d l 0 1 1 1 存储器写( m e m o r yw r i t e ) 高蘧数据采集及存储系统的研制北京变通丈学学位论文 l 1 0 0 0 保留( r e s e r v e d ) 1 0 0 1 保留( r e s e r v e d ) 1 0 1 0 配置读( c o n f i g u r a t i o nr e a c t ) 1 0 1 1 配置写( c o n