（计算机应用技术专业论文）基于fpga的gpib接口ip核的研究与设计.pdf

江苏大学硕士学位论文 捅费 随着微电子技术的发展，在系统可编程( h as y s t e mp r o g r a m m a b i l i t y ，i s p ) 技术在各个领域的应用同益广泛。a l t e r a 公司的可编程片上系统( s y s t e mo na p r o g r a m m a b l ec h i p ，s o p c ) 解决方案，使得f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ) 在嵌入式系统设计领域的地位越来越重要。利用s o p c 解决方案可将 c p u 、存储器、i o 接口、低电压差分信号( l 、，d s ) 技术、时钟数据自动恢复 ( c d r ) 以及锁相环( p p l ) 等系统设计所必须的模块集成到一片可编程器件 上，构成一个可编程系统。 g p i b ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) 接口是仪器专用接口，遵循的最新协 议是i e e e4 8 8 1 2 0 0 3 和i e c i e e e6 0 4 8 8 2 ( 2 0 0 4 ) 。g p i b 接口是组建自动测试 系统的桥梁。由于使用g p i b 组建测试系统组建灵活、方便、规模较小、g p i b 设备利用率高、可靠性好等优点，使得g p i b 在澳9 试领域有着广泛的应用。 本文的工作主要由两个部分组成：第一部分是用g p i b 接口专用芯片实现 g p i b 接口功能，在大功率晶体管特性图示仪具备r s 2 3 2 接口的基础上扩展 g p i b 接口功能。本文使用w i n b o n d 公司的w 7 7 e 5 8 单片机控制t n t 4 8 8 2 芯片 实现g p i b 接口功能，串行口通过m a x 2 3 2 与r s 2 3 2 接口相连，并且使用单片 机的p 1 0 和p 1 1 口通过m a x 2 3 2 与r s 2 3 2 接口的c t s 和r t s 相连，来控制 r s 2 3 2 的数据流，调节g p i b 与r s 2 3 2 的传输速率，实现r s 2 3 2 与g p i b 协议 的转换。第二部分是g p i b 接口i p 核的设计，通过第一部分的设计，对g p i b 接口专用芯片t n t 4 8 8 2 有了深入的研究，在此基础上，设计自己的g p i b 接口 i p 核。本设计采用模块化设计的思想，将g p i b 接口i p 核分成三个模块：g p i b 接口功能模块、内部寄存器模块和数据传输控制模块。g p i b 接口功能采用状态 机的方法来实现，g p i b 接口功能由一组互相排斥而又互相联系的状态图来给 定，利用它们之间的各个功能和各个状态的铰链，在设计时最终实现的是一个 整体的g p i b 芯片状态机。为了控制g p i b 接口功能以及数据的传输，设计了 2 5 个8 位寄存器，这些寄存器包括控制寄存器和状态寄存器，控制寄存器用来 实现对g p i b 接口功能的控制，状态寄存器用来查询g p i b 接口状态和中断状态。 由于设计的g p i b 接口i p 核与a v a l o n 总线相连，本文根据a v a l o n 总线的规范， 设计了i p 核的控制端的接口信号，还设计了两个f i f o s 用来调节a v a l o n 总线 和g p i b 的传输速率。 本文设计的r s 2 3 2 g p i b 协议转换器已经成功应用于大功率晶体管特性图 示仪中。设计的g p i b 接1 3i p 核也通过了m o d e l s i m 下的仿真和q u a r t u s 下的综 合，达到了设计目的。 关键字：g p i b ，i e e e4 8 8 ，f p g a ，状态机，i p 核 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p i n go fm i c r o e l e c t r o n i c st e c h n i q u e ，t h ei s p ( h as y s t e m p r o g r a m m a b i l i t y ) h a sp e n e t r a t e di n t ov a r i o u s a r e a sa n dw o nw i d e ra n dw i d e r p o p u l a r i t y t h es o l u t i o n sp r o p o s e db ya l t e r a , w h i c hi sc o n s t r u c t e du p o ns o p c ( s y s t e mo nap r o g r a m m a b l ec h i p ) ，m a d ef p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) c o u n tm o r ea n dm o r ei nt h ed e s i g no fi m b e d d e ds y s t e m w i t ht h eh e l po fs o p c ，t h e n e c e s s a r yc o m p o n e n t ss u c h 鹄c u p , m e m o r i z e r , i oi n t e r f a c e ，l v d st e c h n i q u e ， c d ra n dp p lc a nb ei n t e g r a t e di n t oc e r t a i np r o g r a m m a b l ec h i pw h i c hi sc a l l e d p r o g r a m m a b l es y s t e m t h eg p i b ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) i sak i n do fi n t e r f a c ee x c l u s i v et o d e v i c e s ，w h i c hf o l l o w i n gt h el a s t e s ts t a n d a r di si e e e 4 8 8 1 - 2 0 0 3a n di e c i e e e 6 0 4 8 8 2 ( 2 0 0 4 ) g p i bt a k e st h er o l eo fb r i d g et o w a r d st h ec o n s t r u c t i o no fa u t o d e t e c t s y s t e m n o wg p i bi sa p p l i e dw i d e l yi nt e s t i n gb e c a u s eo ft h ef o l l o w i n ga d v a n t a g e s i nc o n s t r u c t i n ga u t o d e t e c t s y s t e m ：c o n s t r u c t i n gs m a r t ，c o n v e n i e n t ，s m a l ls c a l e d ， h i g l ld e v i c ee f f i c i e n c y , h i g hr e l i a b i l i t y t h i st h e s i si sc o m p o s e dm a i n l yb yt w o p a r t s ：t h ef i r s tp a r tc o n c e r n st h ef u n c t i o n i m p l e m e n t a t i o no fg p i bi n t e r f a c eb ym e a n so fg p i bi n t e r f a c e se x c l u s i v ec h i p s u n d e rt h ec o n t r o lo fw i n b o n d sw 7 7 e 5 8s i n g l e c h i p ，t n t 4 8 8 2c a ng u a r a n t e et h e f u n c t i o no fg p i bi n t e r f a c e s e r i a lp o r ti sc o n n e c t e db ym a x 2 3 2a n dr s 2 3 2 t h e i n t e r f a c eo fp1 0a n dp1 1c a nb ec o n n e c t e dw i t hr s 2 3 2 sc t sa n dr t st h r o u g h m a x 2 3 2 b a s e du p o nt h ea b o v ed e s i g n ，t h es i n g l ec h i pi sa b l et oc o n t r o lt h ed a t a s t r e a m o fr s 2 3 2 ，a d j u s tt h et r a n s m i s s i o ns p e e db e t w e e ng p i ba n dr s 2 3 2 ，a n da l s o g r a n t st h ec o n v e r s i o nb e t w e e nr s 2 3 2a n dg p i bp r o t o c 0 1 t h en e x tp a r tm a i n l yd e a l sw i t ht h ei pc o r ed e s i g no fg p i bi n t e r f a c e n o wt 1 1 a t p r o f o u n dk n o w l e d g ei sa v a i l a b l ev i a t h er e f e r e n c eo ft h ef i r s tp a r t ，t h ei pc o r ed e s i g n o fg p i bp o r tc a na l s ob ea v a i l a b l e b a s e do nt h et h e o r yo fm o d u l a r i z a t i o n ，t h ei p c o r eo fg p i bi sd i v i d e di n t ot h r e em o d u l e s ：m o d u l ef o rp o r tf u n c t i o no fg p i b ， m o d u l ef o ri n n e rr e g i s t e ra n dm o d u l ef o rd a t at r a n s m i s s i o n t h ep o r tf u n c t i o no f g p i bi sr e a l i z e db ym e a n so fs t a t em a c h i n e t h ef u n c t i o ni sd e f i n e db yas e to f r e p u l s i v ea n dc o r r e l a t e ds t a t eg r a p h si n i t i a l l y , a n dt h e nw i t ht h eh e l po f t h ei l l u s t r a t e d f u n c t i o n sa n dt h eg e m e la m o n gt h es t a t e s ，t h ed e s i g no fs t a t em a c h i n ef o rg p i bc h i p i sa v a i l a b l e i no r d e rt ot a k ec h a r g eo np o r tf u n c t i o no fg p i ba n dd a t at r a n s m i s s i o n , t h ed e s i g n e d8 - b i t sc o n t r o lr e g i s t e tsa n ds t a t u sr e g i s t e r s ，w h i c hc o n t r o l st h ep o r t f u n c t i o no fg p i ba n di n q u i r ea b o u tt h ep o r ts t a t u sa n di n t e r r u p ts t a t u so fg p i b 江苏大学硕士学位论文 s e p a r a t e l y , m o u n tu pt o2 5 a c c o r d i n gt ot h ec r i t e r i o no f a v a l o nb u s ，b yw h i c ht h ei p c 一0 r eo fg p i bi n t e r f a c ec a nb ec o n n e c t e dw i t hi t ，t h i st h e s i sd e s i g n e dt h ep o r ts i g n a l f o rt h ec o n t r o lo fi p c o r e ，a n dt w om o r ef i f o sa r ed e s i g n e dt oa d j u s tt h e t r a n s m i s s i o ns p e e db e t w e e na v l o nb u sa n dg p i b 1 h ed e s i g n e dr s 2 3 2 - g p i bp r o t o c o lt r a n s f o r m e ri sa p p l i e di nt h eh i g h - p o w e r s e m i - c o n d u c t o rd e v i c ec h a r a c t e r i s t i ci n s t r u m e n ts u c c e s s f u l l y , a n di pc o r ed e s i g no f g p i bi n t e r f a c ec o r eh a sa l s ob ev e r i f i e de 衔c i e n tt h r o u g hm o d e l s i ma n d q u a r t u s k e yw o r d s ：g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ，i e e e4 8 8 ，f p g a ，s t a t em a c h i n e , i p c o r e i i i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文 的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 书。 本学位论文属于 保密口， 在年解密后适用本授权 不保密团。 学位论文作者签名：乌玉抒、 动刃年7 2 月；之e i 指导教师签名0 夕口j 7 年i 月l v 日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外， 本论文不包含任何其它个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：岛玉格 e t 期：四年二月 12 日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的目的与意义 1 9 6 5 年，惠普公司( h e w l e t t p a c k a r d ) 设计了惠普仪器总线h p i b ( h e w l e t t p a c k a r di n s t r u m e n tb u s ) ，用于连接惠普的计算机和可编程仪器。由于 其高传输速率( 通常可达1 m b e s s ) 和高可靠性，这种接口总线得到仪器制造 商的普遍认可，并被接收为i e e e 标准4 8 8 1 9 7 5 。后来，g p i b ( g e n e r a lp u r p o s e i n t e r f a c eb u s ) 比h p i b 的名称用得更广泛【l 】。 1 9 8 7 年，i e e e4 8 8 标准发展为i e e e4 8 8 1 ( i e e es t a n d a r dd i g i t a li n t e r f a c ef o r p r o g r a m m a b l ei n s t r u m e n t a t i o n ) ，该标准着重规定了g p i b 的硬件部分，定义了g p i b 的机械、硬件和电气协议；同年，i e e e 进一步扩展出i e e e4 8 8 2 ( i e e es t a n d a r d c o d e s ，f o r m a t s ，p r o t o c o l s ，a n dc o m m o nc o m m a n d sf o ru s ew i t ha n s i i e e es t d 4 8 8 1 1 9 8 7i e e es t a n d a r dd i 西t a li n t e r f a c ef o rp r o g r a m m a b l ei n s t r u m e n t a t i o n ) 标准， 增加了最小配置命令、通用数据格式、状态报告机制、错误处理机制等软件部分， 从而极大地方便了可编程仪器的互连。来自不同厂商的仪器首次通过一根标准的 g p i b 电缆连接在一起。 1 9 9 0 年后，世界著名厂商共同研究制定了用于可程控仪器的标准命令集即 s c p i ( s t a n d a r dc o m m a n df o rp r o g r a mi n s t r u m e n t ) t 2 1 。s c p i 构建在i e e e4 8 8 2 之上， 用一种标准的方式来叙述各种程控仪器的功能参数、控制数据交换和状态报告 等，定义了一整套仪器的命令集，兼容所有的带有s c p i 的仪器，通用性、互换性 和互操作性更强，从而大大减少了自动测试系统的程序设计和开发时耐3 1 。 目前，g p i b 标准的最新版本是i e c i e e e6 0 4 8 8 1 2 0 0 4 ( h i g h e l p e r f o r m a n c e p r o t o c o lf o rt h es t a n d a r dd i g i t a li n t e r f a c ef o rp r o g r a m m a b l ei n s t r u m e n t a t i o n - p a r tl ： g e n e r a l ) 和i e c i e e e6 0 4 8 8 2 2 0 0 4 ( s t a n d a r dd i g i t a li n t e r f a c ef o rp r o g r a m m a b l e i n s t r u m e n t a t i o n p a r t2 ：c o d e s ，f o r m a t s ，p r o t o c o l sa n dc o m m o nc o m m a n d s ) 。 通过g p i b 总线，使得仪器不仅具有可程控能力，实现远程输入输出，而 且可以将多台智能仪器及计算机连接起来，组成一个自动测试系统实现更强大 的功能。基于g p i b 总线组建的自动测试系统是积木式结构，可拆卸、易于重 建，控制器可以是计算机、微处理器或简单的程序控制器，数据传送可靠，使 用灵活，价格低廉，使这种总线广泛应用于对测试仪器进行计算机控制以及对 其他电子设备的控制中。 g p i b 总线出现后的几十年间，自动测试系统得到了长足的发展，尤其是1 9 9 5 江苏大学硕士学位论文 年以后，随着计算机技术、通信技术的不断进步，新型的仪器总线不断出现，如 v x i 、p x i ，新的计算机接口如u s b 、以太网、i e e e 1 3 9 4 等也不断地应用于测量 仪器。但这些都没有撼动g p i b 的地位，像a g l i e n t 、t e k 等国际著名仪器厂商在其 新产品中，仍然普遍设计了g p i b 接口。 智能仪器出现后g p i b 接口在智能仪器中得到了广泛的应用。智能仪器是计 算机技术与测量仪器相结合的产物，是含有微计算机或微处理器的测量仪器， 它拥有对数据的存储、运算、逻辑判断及自动化操作等功能【4 j 。随着微电子技 术、数字信号处理器d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 技术、现场可编程门阵列f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 和在系统编程i s p ( i ns y s t e mp r o g r a m m a b i l i t y ) 技术的迅速发展和在仪器仪表行业新的应用，促使了新型智能仪器的出现。过 去一块p c b 板和一些复杂器件组成的仪器，今天可以集成在单个芯片上，系统 设计已从传统的p c b 板设计进展到s o p c ( s y s t e mo n ap r o g r a m m a b l ec h i p ) 系统的设计。s o p c 是一种特殊的数字电子系统，它既具有s o c ( s y s t e n lo nc h i p ) 的主要逻辑功能，还是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、 可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能。构成s o p c 的方案也有如下多种 途径【5 ，6 】： 1 基于f p g a 嵌入i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 硬核的s o p c 系统 即在f p g a 中预先植入嵌入式系统处理器。目前最为常用的嵌入式系统大 多采用了含有a r m 的3 2 位知识产权处理器核的器件。尽管由这些器件构成的 嵌入式系统有很强的功能，但为了使系统更为灵活完备，功能更为强大，对更 多任务的完成具有更好的适应性，通常必须为此处理器配置许多接口器件才能 构成一个完整的应用系统。如除配置常规的s r a m 、d r a m 、f l a s h 外，还必须 配置网络通信接口、串行通信接口、u s b 接口、v g a 接口、p s 2 接口，而作 为智能仪器还必须配置一些仪器专用接口如g p i b 接口。这样会增加整个系统 的体积、功耗，而降低系统的可靠性。但是如果将c p u 或其他知识产权核，以 硬核方式植入f p g a 中，利用f p g a 中的可编程逻辑资源和i p 软核，直接利用 f p g a 中的逻辑宏单元来构成该嵌入式系统处理器的接口功能模块，就能很好 地解决这些问题。这样就能使得f p g a 灵活的硬件设计和硬件实现更与处理器 的强大软件功能有机地相结合，高效地实现s o p c 系统。 2 基于f p g a 嵌入i p 软核的s o p c 系统 将m 硬核直接植入f p g a 的解决方案存在如下几种不够完美之处：由于此 类硬核多来自第3 方公司，f p g a 厂商通常无法直接控制其知识产权费用，从 而导致f p g a 器件价格相对偏高；由于硬核是预先植入的，设计者无法根据实 际需要改变处理器的结构，如总线规模、接口方式，乃至指令形式，更不可能 2 江苏大学硕士学位论文 将f p g a 逻辑资源构成的硬件模块以指令的形式形成内置嵌入式系统的硬件加 速模块( 如d s p 模块) ，以适应更多的电路功能要求；无法根据实际设计需求 在同一f p g a 中使用多个处理器核；无法裁减处理器硬件资源以降低f p g a 成 本；只能在特定的f p g a 中使用硬核嵌入式系统，如只能使用e x c a l i b u r 系列 f p g a 中的a r m 核，v i r t e x i ip r o 系列中的p o w e r p c 核。如果利用软核嵌入式 系统处理器就能有效地克服解决上述不利因素。目前最有代表性的软核嵌入式 系统处理器分别是a l t e r a 的n i o s 和n i o si i 核，及x i l i n x 的m i c r o b l a z e 核。 使用核构造基于s o p c 的智能仪器可重复使用已有设计模块，缩短设计 时间，减少设计风险，通过高层的集成可望提高整个系统的性能【_ 7 8 1 。随着我们 步入系统级芯片时代，使用i p 复用技术和可编程逻辑设计显的同趋重要。i p 复 用是指在集成电路设计中，通过继承、共享或购买所需要的i p 核，然后利用 e d a 工具进行设计、综合和验证b ，从而加速产品开发过程，降低开发风险。 i p 复用技术已逐渐成为现代电路设计的重要手段，而i p 核的地位也同趋重要。 在基于s o p c 的智能仪器设计中，传统的g p i b 接口专用芯片已不能满足系 统的要求，需要一个可复用的g p i b 接口i p 核来满足系统的需求。本课题就是 在以上的基础上提出的。通过本课题的研究不仅可以实现r s 2 3 2 与g p i b 数据 的转换，而且通过对g p i b 接口i p 核的研究，可以为测试领域内的自主知识产 权化迈出坚实的一步。 1 2 国内外研究现状和发展趋势 基于f p g a 的i p 核构造s o p c 系统是未来电子系统发展的方向，目前，它 已成为国际信息产业领域的热门技术，具有广阔的应用前景。 在国外，i p 核专营公司日见增多。目前自主开发和经营i p 核的公司有a r m 、 m i p st e c h n o l o g i e s 、r a m b u s 及v i r a g el o g 等。以a r m 公司为例，从1 9 8 5 年设计开 发出第一块r i s c 处理器i p 核模块，到1 9 9 0 年首次将其i p 核专利权转让给a p p l e 公 司，到目前全球共有诸如i b m 、t i 、p h i l i p s 、n e c 、s o n y 等几十家公司采用其i p 核开发自己的产品。数据显示，n 2 0 0 7 年，全球s o c 市场需求额将达7 5 0 亿美元， 占同期半导体市场的2 9 左右，2 0 0 1 2 0 0 6 年的s o c 产品年平均增长率为1 7 2 ， 高于世界半导体同期市场的增长率1 3 。2 0 0 6 年全球s o c 产品设计8 5 都是采用 以i p 核为主的预定制模块，而2 0 0 3 年这一比例仅为5 0 ，i p 核已经成为主流芯片 设计的核心构件【l 。 在国内i p 核产业刚刚起步。我国对s o c i p 产业非常重视，信息产业部于2 0 0 2 年批准成立了“信息产业部集成电路i p 标准工作组( i p c g ) ”，负责制定中国的i p 3 江苏大学硕士学位论文 核技术标准，后来又成立了“信息产业部软件与集成电路促进中一g , ( c s l p ) ”和“上 海硅知识产权交易中，t x , ( s s l p e x ) ”，表明中国的i p 核交易基础机构已经逐步建立 起来，为i p 核标准的应用和推广奠定了基础。2 0 0 4 年，由c s i p 筹建的国家i p 核库 j 下式建成，并开始j 下式向集成电路设计商、制造商提供服务。2 0 0 5 年8 月由信息 产业部软件与集成电路促进中心( c s i p ) 、大唐微电子、神州龙芯、苏州国芯、 中芯国际等8 家单位发起的“中国硅知识产权产业联盟”( 简称中国i p 联盟) 在北 京正式成立。首批加入联盟的企事业单位有5 l 家，包括国内各地集成电路设计企 业、科研机构、国内外硅知识产权( i p 核) 提供商、世界著名e d a 工具提供商以 及集成电路制造企业。“十五一计划期间，我国政府已完成了上海、北京、西安、 无锡、成都、杭州、深圳等7 个国家集成电路设计产业化基地的建设，给众多中 小集成电路设计企业搭建s o c 技术平台，购进了大量e d a 设计工具，并低价租给 各地的集成电路设计公司使用，这在一定程度上缓解了中小企业资金投入有限的 问题【1 2 1 。 目前国内购买的核产品，1 8 来自境外代工厂，2 9 来自境内代工厂，3 5 来自境外口核供应商，l l 来自境内i p 核供应商，只有7 是共享交换i p 核。由此 可见，本土i p 核的发展还远远不能满足国内的需求。我国的i p 核产业起步较晚， 规模很小，i p 核产业存在设计种类少，经过验证的i p 核寥寥无几等问题，对s o c 设计和产业化形成了瓶颈。目前，国内i p 核已经有了一些成功应用的先例：从2 0 0 5 年丌始，神州龙芯已开始对外提供i p 核产品，目前j 下在测试的a v s 芯片已经采用 了2 个龙芯i p 软核，一个用于控制，另一个用于解码；上海富瀚h 2 6 4 的高清解码 器i p 核已经被全球著名的芯片设计公司购买了授权，开创了国内创业公司对国外 大公司进行i p 核授权的先例【1 3 】。 国内外对d 核的研究众多，但是由于g p i b 接口是仪器专用接口，其应用范 围有限，并且有t i 、n i 、n e c 、m o t o r o l a 等公司生产g p i b 接口专用芯片( 如： n i 的n a t 9 9 1 4 和t n t 4 8 8 2 ) ，所以至今未丌发可供使用的g p i b 接口i p 核。而国内 对i p 核的研究设计处于起步阶段，电子科技大学在研究n a t 9 9 1 4 芯片的基础上， 也研究了g p i b 接口芯片在c p l d 上的实现方法。专用芯片和基于c p l d 的g p i b 接 口芯片不能应用于新型的基于s o p c 的智能仪器，所以研究设计基于f p g a 的 g p i b 接口i p 核是很有必要的。 1 3 课题的研究内容 本课题源于大功率晶体管特性图示仪工程实际项目，大功率晶体管特 性图示仪是与江苏绿扬电子仪器集团有限公司合作的大功率晶体管特性图示 4 江苏大学硕士学位论文 仪开发项目。本文的工作主要由两个部分组成：第一部分是实现晶体管特性图 示仪g p i b 接口扩展工作。晶体管特性图示仪是基于p c 架构的，本身具备r s 2 3 2 接口，本文的工作是在r s 2 3 2 的基础上扩展g p i b 接口功能，并实现g p i b 接 口的远程控制。第二部分是g p i b 接口i p 核的设计。通过第一部分的工作，对 g p i b 接口专用芯片t n t 4 8 8 2 有了深入的研究，在此基础上，基于f p g a 设计 自己的g p i b 接口i p 核。 本课题的主要研究内容与工作具体如下： 1 、t n t 4 8 8 2 芯片研究以及r s 2 3 2 g p i b 协议转换器的设计 研究n 盯4 8 8 2 芯片的内部结构及工作模式，在此基础上设计硬件电路，研 究t n t 4 8 8 2 内部寄存器，并进一步设计控制软件。研究r s 2 3 2 实现流控制的 方法，实现r s 2 3 2 数据流控制，调节r s 2 3 2 与g p i b 的数据传输速。设计的目 标是实现r s 2 3 2 与g p i b 的数据转换。 2 、g p i b 接口功能研究以及在f p g a 上的实现 研究g p i b 接口的各个接口功能，并对t n t 4 8 8 2 实现的接口功能进行分析， 在此基础上提出本课题要实现的g p i b 接口功能子集。研究g p i b 接口功能的实 现方法，并在f p g a 上实现。设计的目标是在f p g a 上实现稳定的g p i b 接口 功能。 3 、内部寄存器的设计 研究t n t 4 8 8 2 的内部寄存器，在此基础上提出本课题要使用的内部寄存器。 设计各个内部寄存器，并在f p g a 上实现。设计的目标是通过对各个寄存器的 读写可以控制g p i b 接口功能工作，并且可以进行数据的传输。 4 、a v a l o n 总线的研究以及i p 核数据传输控制模块的设计 研究a v a l o n 总线的结构和读写时序，设计g p i b 接口i p 核的控制端的数据 总线。研究f i f o 的结构和使用方法，设计g p i b 接口i p 核实现数据传输的f i f o 。 设计的目标是可以通过a v a l o n 总线向g p i b 接口i p 核发送命令和数据，并通过 g p i b 接口i p 核接收数据。 1 4 本文的组织结构 第一章即为绪论，简要的介绍g p i b 接口的历史以及智能仪器的发展趋势， 课题研究的背景、目的、意义以及课题研究的主要内容，最后阐明了本文的内容 安排。 第二章介绍了r s 2 3 2 g p i b 协议转换器的实现。首先介绍 g p i b 接口的硬件 实现，然后介绍y 8 0 5 1 单片机与r s 2 3 2 接口的通信以及数据流控的实现，并介绍 江苏大学硕士学位论文 了数据传输的软件编程，最后介绍了基于v i s a 的上位机控制程序的设计。 第三章介绍了g p i b 接d i p 核的总体设计思路。详细介绍了f p g a 内部g p i b 接口i p 核模块的组成。 第四章重点介绍了在f p g a 上实现g p i b 接口功能模块。首先介绍了状态机以 及状态机的编码方法，最后详细介绍了g p i b 各种接口功能的设计以及在 m o d e l s i m 下的仿真。 第五章介绍了f p g a 内部配置寄存器模块的设计。主要介绍了在f p g a 内部设 计的配置寄存器以及各个配置寄存器各位的功能。 第六章介绍了f p g a 上数据传输控制模块的设计。主要介绍了数据流在f p g a 内部是如何传输的，并给出了在m o d e l s i m 下的仿真和在q u a r t u s 下的综合结果， 设计了用于检测的s o p c 系统。 第七章即本文的最后一章是对本论文的一个总结，概括在一年论文学习中 所做的工作、收获和体会，以及对以后所要开展工作的展望。 6 江苏大学硕士学位论文 第二章r s 2 3 2 - g p ib 协议转换器的设计与实现 2 1g p i b 总线简介 g p i b 总线是一个2 4 脚的总线，由8 根数据线、5 根管理线、3 根握手线以 及8 根地线组成1 1 4 1 。g p i b 总线的8 根数据线为：d 1 0 8 d i o i ，用于g p i b 发 布地址和命令以及传递数据。g p i b 所有的命令或数据使用的是7 位的a s c i i 或 i s o 代码，所以d 1 0 8 一般不用，有时用做校验位。g p i b 总线的5 根管理线为： a t n 、i f c 、r e n 、s r q 、e o i 。i f c ( i n t e r f a c ec l e a r ) 为控者使用，让所有 的接口进入已设静止状态；a t n ( a t t e n t i o n ) 为控者使用，让所有的接口为听 者，准备通信，a t n 为1 表示当前数据线上的是命令，a t n 为0 表示当前数据 线上的是数据；r e n ( r e m o t ee n a b l e ) 为程控使能信号，是仪器用来切换仪 器为远程控制( r e m o t ec o n t r 0 1 ) 或是本地控制( l o c a lc o n t r 0 1 ) ，所谓远程控制 是通过g p i b 总线传送仪器相关信息进行控制，而本地控制则是利用仪器本身 面板按钮进行控制；e o i ( e n d o r - i d e n t i f y ) 为讲者使用，当传送的数据至最后 位时，令e o i 动作，用来表示数据传输结束；s r q ( s e r v i c er e q u e s t ) 为非控者 使用，是仪器用来告诉控者设备需要服务，当s r q 管理线为低时，表示仪器需 要服务，此时仪器须一直保持s r q 为低，直到被控者轮询结束。g p i b 总线的 3 根握手线用来控制仪器间的非同步传输，确保仪器间传输的信息不会遗失。 三条握手线为：d a v ( d a t av a l i d ) 数据有效线、n r f d ( n o tr e a d yf o rd a t a ) 未准备接收数据线、n d a c ( n o td a t aa c c e p t e d ) 未接受数据线。d a v 信号为 讲者使用，用来表示数据在信号线上是否稳定；n r f d 为听者使用，用来表示 设备是否准备好接收数据；n d a c 为听者使用，用来表示设备是否已经接收到 信掣1 5 j 。其握手过程如图2 1 所示： 江苏大学硕士学位论文 f d a t a 刮 ( d a v 数 n r f d n d a c x， n e wd a t ai sv a l k t 3 d a t an o tv a l t da n y m o r e 6 髓之厂 甲铀喇酬跌1 7 - - 5 b y t e 7 a c c a n t a d d a t a 图2 1g p i b 接口握手过程图 2 2g p i b 接口功能的硬件实现 r e a d y a g a i n g p i b 的接口功能的实现方法有很多种，如：软件接口、g p i b 专用接口控制 芯片、微程序控制器、c p l d f p g a 可编程逻辑电路【l6 1 。现在实现g p i b 接口协议 的方法以使用g p i b 专用接口芯片为主。g p i b 专用接口芯片是仪器接口的核心芯 片，目前使用最多的是美国n i ( n a t i o n a li n s t r u m e n t ) 公司生产的基于i e e e 4 8 8 2 协 议的g p i b 控制芯片n a t 9 9 1 4 和t n t 4 8 8 2 ，国内只有德州仪器厂生产此类芯片。 本文设计的r s 2 3 2 一g p i b 防议转换器使用w i n b o n d 公司生产的w 7 7 e 5 8 单片机控制 t n t 4 8 8 2 芯片实现g p i b 接口功能，其硬件连接图如图2 2 所示： 图2 2g p i b 接口实现硬什结构图 t n t 4 8 8 2 是美国n i 公司生产的一款单芯片、高速、听讲功能兼备的g p i b 江苏大学硕士学位论文 接口专用芯片。它内部集成y t u r b 0 4 8 8 ( 高速传输电路) 能够兼容a n s ii e e e s t a n d a r d4 8 8 i 乖 a n s ii e e es t a n d a r d4 8 8 2 规范。t n t 4 8 8 2 的内部结构以其工 作模式的不同而有所不同，工作模式可分为单芯片模式和双芯片模式两种，而双 芯片模式又可分为t u r b o + 7 2 1 0 模式和t u r b o + 9 9 1 4 模式。其中单芯片模式内部的 f i f o 可直接和g p i b 总线相连而不需要通过状态机，是最快捷的一种模式， t n t 4 8 8 2 i 作于单芯片模式下的内部结构如图2 3 所示。 图2 3t n t 4 8 8 2 i 作于单芯片模式内部结构图 t n t 4 8 8 2 芯片使用简单灵活，可方便地连接各种8 位和1 6 位处理器，除了 4 0 m h z 的时钟外不需要其它任何外围芯片即能直接与g p i b 总线相连。t n t 4 8 8 2 提供的i e e e 4 8 8 的功能为【1 5 】： s h l ：完善的消息握手功能； a h l ：完善的握手能力接受者；d a c 和r f d 保持事件； t 5 ：完善的讲者能力。基本讲者，连续传，只讲模式，无地址的m l a ，送 e n d 或e o s ； t e 5 ：完善的扩展讲者能力。基本扩展讲者，连续传，只讲模式，无地址的 m l a 和l p a s ，送e n d 或e o s ： l 3 ：完善的听者能力：基本听者，只听模式，无地址的m t a ，监钡j j e n d 和 e o s 信号； l e 3 ：完善的扩展听者能力：基本扩展听者，只听模式，无地址的m t a 和 t p a s ，监测e n d 和e o s 信号； s p l ：完善的服务请求能力： 9 江苏大学硕士学位论文 r l l ：完善的远程本地能力； t n t 4 8 8 2 的1 6 位数据总线，分为低8 位和高8 位两组。使用的微控制器为8 位 的8 0 5 1 系列的单片机，因此只能使用8 位数据总线。当t n t 4 8 8 2 的总线选择信号 a b u s n 接高电平，b b u s n 接低电平时，它通过低8 位数据总线与微控制器总线 相连。当芯片复位时m o d e 引脚为高电平或悬空，芯片进入t u r b o7 2 1 0 模式。然 后向h s s e l 寄存器的o n e