（计算机系统结构专业论文）工控机串并通信协议控制器的设计.pdf

西北t业大学硕_ l 学位论文摘 要 摘要 本论文的研究内容是西北工业大学航空微电子中心所承担的国防十五预研 项目 ( 项目 编号4 1 3 0 8 0 1 0 3 0 7 )的一部分，主要完成p c 1 0 4 工控系统 s o c芯片 “ 龙腾s 1 ”中串并通信协议控制器的设计与实现。 “ 龙腾s 1 ” 芯片包括与i n t e l x 8 6 完全兼容的嵌入式微处理器、 专用s d r a m 控制器、 可编程中断控制器、 高速串行口和双向数据并行口， 并提供7 个d m a . 3个计数器以及 p c i a t键盘接口。作者负责设计的串并通信协议控制器实现了 “ 龙腾s 1 ”的串、并接口 通信.是工控机与外界通信的主要渠道。 本论文的主要研究工作及研究成果如下: . 根据 “ 龙腾 st”设计需求，设计了串并通信协议控制器整体结构，包 括数据通路和控制通路。 . 研究分析了 异步串 行通信协议和i e e e 1 2 8 4 标准并行通信协议。 . 设计并实现了串并通信协议控制器中的 通用异 步串 行收发器( l ta r t ) o 参考现有的串行收发器结构，设计了收发控制状态机，以控制包括错 误检测在内的整个串行收发过程。 . 提出并实现了一种i e e e 1 2 8 4标准并行通信协议控制器，支持不同的 并行通信模式。采用异步通信过程同步化的技术，简化了控制通路设 计。 . 完成了串并通信协议控制器的功能验证， 在 f p g a验证平台上实现了 与p c机的正常串、并行通信。以f p g a实现的“ 龙腾s 1 验证系统， 已 经成功运行了d o s 6 .2 2 操作系统， 并且正确运行了大量的应用程序， 串并通信协议控制器工作正常。 通过本论文的研究，完成了串并通信协议控制器的设计、综合、 仿真验证 及f p g a验证。集成了串并通信协议控制器的“ 龙腾s i 芯片，己完成后端设 计， 将于近期流片。论文的研究为 s o c设计积累了 经验，为 “ 龙腾 si”的流 片成功打下基础。 关键词:工控机， 串并 通信协 议控制器， 异步串 行通信协议， i e e e 1 2 8 4 标准.异步串行收发器， 并行协议控制器 西北工业大学硕 七 学位论文ab s t r a a ab s t r a c t t h e w o r k i n t h i s d i s s e r t a t i o n i s p a r t o f n a t i o n a l a d v a n c e d r e s e a r c h p r o j e c t ( g r a n t n o . 4 1 3 0 8 0 1 0 3 0 7 ) . t h i s p a p e r m a i n l y d i s c u s s e s t h e d e s i g n a n d i m p le m e n t a t i o n o f t h e s e r i a l a n d p a r a l l e l p r o t o c o l c o n t r o l l e r o f l o n g t i u m s i i n d u s t r i a l c o n t r o l s y s t e m . l o n g t i u m s 1 i s c o m p a t i b l e w i t h p c / 1 0 4 p r o t o c o l , w h i c h i s c o m p o s e d o f a e m b e d d e d p r o c e s s o r c o m p a t i b l e w i t h t h e i n t e l x 8 6 i n t e g e r a n d fl o a t i n g - p o i n t i n s t r u c t i o n s e t s , a s d r a m c o n t r o l l e r , a p r o g r a m m a b l e i n t e r r u p t c o n t r o l le r , t w o s e r i a l p o rt s a n d a p a r a l l e l p o rt . l o n g t i u m s i p r o v i d s 7 d ma c h a n n e l s , 3 t i m e r s a n d p c / a t k e y b o a r d i n t e r f a c e . t h e s e r i a l a n d p a r a l l e l p r o t o c o l c o n t r o l l e r d e s c r i b e d i n t h e p a p e r i s t h e p r i m a ry c o m m u n i c a t i o n c h a n n e l b e t w e e n t h e i n d u s t r i a l c o n t r o l s y s t e m a n d t h e p e r i p h e r a l s . t h e m a j o r c o n t r i b u t i o n s a n d a c h i e v e m e n t s a r e s u m m a r i z e d a s b e l o w : t h e a r c h i t e c t u r e o f t h e s e r ia l a n d p a r a l l e l p ro t o c o l c o n t r o l l e r i s d e s i g n e d a n d i m p l e m e n t e d , i n c l u d i n g d a t a p a t h a n d c o n t r o l p a t h . . t h e a s y n c h r o n o u s d a t a c o m m u n i c a t io n p r o t o c o l a n d i e e e 1 2 8 4 s t a n d a r d s i g n a l i n g m e t h o d f o r a b i d i re c t i o n a l p a r a l l e l p e r ip h e r a l in t e r f a c e a r e a n a ly z e d . . u n i v e r s a l a s y n c h r o n o u s s e r i a l re c e i v e r / tr a n s m i tt e r ( d a r t ) i s d e s i g n e d a n d i m p le m e n t e d . r e f e r e n c i n g t o e x i s t i n g s e r i a l r e c e i v e r / t r a n s m i tt e r , r e c e i v e r / t r a n s m i tt e r f s m i s d e s i g n e d t o c o n t r o l s e r i a l re c e i v i n g a n d t r a n s m i t t i n g t i m i n g . . i e e e 1 2 8 4 s t a n d a r d p a r a l l e l p r o t o c o l c o n tr o l le r i s p r o p o s e d a n d i m p l e m e n t e d . d i ff e r e n t c o m m u n ic a t i o n m o d e s o n p a r a ll e l p o rt a r e d i s c u s s e d , i n c l u d i n g t r a n s l a t i n g t h e a s y n c h ro n o u s c o m m u n i c a t i o n i n t o s y n c h r o n o u s d e s i g n . . t h e n o r m a l c o m m u n i c a t i o n b e t w e e n p c ( s e r i a l a n d p a r a l l e l p o r t s ) a n d f p g a v e r i f ic a t i o n p l a t f o r m i s a c h i e v e d . f u r t h e r t h e d o s 6 .2 2 o p e r a t i o n s y s t e m h a s b e e n r u n n i n g o n l o n g t i u m s i s u c c e s s f u l l y . t h e p a p e r a c c o m p l i s h s t h e d e s ig n , s y n t h e s i s a n d v e r i f y i c a t i o n o f t h e s e r i a l a n d p a r a l l e l p r o t o c o l c o n t r o l l e r . t h e n t h e s y s t e m i s d e b u g g e d i n a f p g a d e v i c e 西北丁业大学硕 卜 学位论文ab s tr a c t p r e s e n t l y , l o n g t i u m s 1 h a s a c c o m p l i s h e d b a c k e n d d e s i g n a n d w i l l b e t 即e - o u t l a t e r . t h e d i s s e rt a t i o n h a s c o n t r i b u t e d a l o t t o t h e s o c d e s i g n a n d b u i l d s s o l i d b a s e f o r t h e t a p e - o u t o f l o n g t i u ms 1 . k e y w o r d s : i n d u s t r i a l c o n t r o l s y s t e m , s e r i a l a n d p a r a l l e l p r o t o c o l c o n t r o l l e r , a s y n c h r o n o u s d a t a c o m m u n ic a t i o n p r o t o c o l , i e e e 1 2 8 4 s t a n d a r d , u a r t , p a r a l l e l p r o t o c o l c o n t r o l l e r i i i 西北工业火学硕 r 学位论文第一章绪论 第一章 绪论 1 . 1 课题背景及来源 由于工业控制计算机相对于商用 p c而言 具有抗恶劣环境、结构扩充性能 好、电压适用范围宽等诸多优点，因此近几年来工控机及其系统迅猛发展。得 益于行业应用上的广泛性，其应用己从传统工业现场微电子技术改造延伸到更 多的传统支柱及新兴产业。目前，工业控制计算机在传统工业现场和过程控制 应用中所占比例己有所下降，在通讯、电信应用方面则飞速上升，在电力、交 通、视频监控、军事、网络、金融等领域的应用也日益受到关注。 我国工业控制计算机从2 0 世纪6 0 年代初开始，经历了三代的变化，从晶 体管工业控制计算机到中小规模集成电路工业控制计算机，以及今天的大规模 集成电路工业控制计算机，体积越来越小，功能越来越强。 6 0 年代初期的工业 控制计算机并没有统一的标准，软件编程也是很原始的机器指令编程方式。8 0 年代，工控机发展跃进了一大步，无论从硬件和软件方面都有了 较大的发展， 出现了s t d总线工业控制计算机， v m e总线工控机等。 9 0 年代， p c总线工业 控制计算机占 据了 很大的市场， 从p c总线 ( i s a总线) 发展到i s a + p c i 总线， 现在又出 现p c i 总线工控机以 及p c / 1 0 4 和p c / 1 0 4 - p lu s 总线嵌入式工业控制机。 典型的工业控制系统利用通信接口连接主机与各种设备，将现场信号传输 到控制级，再将控制级信息传输到监控级，管理级，从而形成系统信息传输的 神经网络，实现从低层到上层的信息共享。由 于工控机主要是对现场的一些实 时信息进行准确、快速的处理，且一般都是在无人值守的环境下工作，因此与 外界的通信就显得更加重要。 根据系统构成的层次结构，工业控制系统的通信类型主要可分为三种基本 通信方式，即标准通信接口、 现场总线 ( fi e l d b u s ) 和局域网 通信3 7 1 标准 通信接口 又称 为外总线 3 7 1 ， 用于 工控机 和各终端设备、 仪器或 其它设 备间的通信， 有时也用于系统之间的通信。它分为串行接口 和并行接口 两种。 串行通信因其需要的数据线少、传送距离长、可靠性高而广泛用于大量的外设 与计算机之间的通信。 但由 于传送信息数据格式繁琐、 传送效率低、 实时性差， 而无法应用于高速实时数据通信。并行通信速度快，数据传输率高、适用于短 距离传输，但是与串行接口 相比要用较多的导线、电缆，成本较高。 随着集成工艺不断提高，现在己经将包括串行接口、并行接口 在内的多 种 一1- 西北工业火学硕 r 学位论文第一章绪论 第一章 绪论 1 . 1 课题背景及来源 由于工业控制计算机相对于商用 p c而言 具有抗恶劣环境、结构扩充性能 好、电压适用范围宽等诸多优点，因此近几年来工控机及其系统迅猛发展。得 益于行业应用上的广泛性，其应用己从传统工业现场微电子技术改造延伸到更 多的传统支柱及新兴产业。目前，工业控制计算机在传统工业现场和过程控制 应用中所占比例己有所下降，在通讯、电信应用方面则飞速上升，在电力、交 通、视频监控、军事、网络、金融等领域的应用也日益受到关注。 我国工业控制计算机从2 0 世纪6 0 年代初开始，经历了三代的变化，从晶 体管工业控制计算机到中小规模集成电路工业控制计算机，以及今天的大规模 集成电路工业控制计算机，体积越来越小，功能越来越强。 6 0 年代初期的工业 控制计算机并没有统一的标准，软件编程也是很原始的机器指令编程方式。8 0 年代，工控机发展跃进了一大步，无论从硬件和软件方面都有了 较大的发展， 出现了s t d总线工业控制计算机， v m e总线工控机等。 9 0 年代， p c总线工业 控制计算机占 据了 很大的市场， 从p c总线 ( i s a总线) 发展到i s a + p c i 总线， 现在又出 现p c i 总线工控机以 及p c / 1 0 4 和p c / 1 0 4 - p lu s 总线嵌入式工业控制机。 典型的工业控制系统利用通信接口连接主机与各种设备，将现场信号传输 到控制级，再将控制级信息传输到监控级，管理级，从而形成系统信息传输的 神经网络，实现从低层到上层的信息共享。由 于工控机主要是对现场的一些实 时信息进行准确、快速的处理，且一般都是在无人值守的环境下工作，因此与 外界的通信就显得更加重要。 根据系统构成的层次结构，工业控制系统的通信类型主要可分为三种基本 通信方式，即标准通信接口、 现场总线 ( fi e l d b u s ) 和局域网 通信3 7 1 标准 通信接口 又称 为外总线 3 7 1 ， 用于 工控机 和各终端设备、 仪器或 其它设 备间的通信， 有时也用于系统之间的通信。它分为串行接口 和并行接口 两种。 串行通信因其需要的数据线少、传送距离长、可靠性高而广泛用于大量的外设 与计算机之间的通信。 但由 于传送信息数据格式繁琐、 传送效率低、 实时性差， 而无法应用于高速实时数据通信。并行通信速度快，数据传输率高、适用于短 距离传输，但是与串行接口 相比要用较多的导线、电缆，成本较高。 随着集成工艺不断提高，现在己经将包括串行接口、并行接口 在内的多 种 一1- 西北工业大学硕 l 学位论文第一章 绪论 1 / 0接口 集成到一个外设控制器内， 并由 配置寄存器统一配置。 这样既减少了 外 设接口所占用的 1 / 0地址，又能降低成本、功耗。此外集中配置还便于编程和 管理。这种集成的外设控制器己成为市面上主流产品，广泛应用于工业控制系 统中。 然而，我国微电子行业整体水平与国外相比有很大差距。目 前我国军事、 民用工控系统几乎全部采用进口芯片，不利于国内的工控机产业提高产品竞争 力和持续研发能力。关键芯片受制于人，而且存在极大的安全隐患。因此，设 计、研制具有自主知识产权的芯片已成为共识。 本研究课题来源于西北工业大学航空微电子中心所承担的国防十五预研项 目。该国防预研课题主要目 的在于完成3 2 位高性能处理器 i p 核的开发，以及 基于该i p 核完成具有自 主知识产权的p c 1 0 4 工控机s o c样片“ 龙腾s 1 ” 的开 发。作者负责 “ 龙腾s 1 ” 工控系统芯片中串并通信协议控制器的设计、验证与 实现。 “ 龙腾s l p c 1 0 4 工控s o c的设计， 完全采用正向、 自 顶向下的设计方法， 集成了自 主版权的嵌入式微处理器i p 核、 系统控制i p 核， 以及设备控制i p 核， 具有全部的知识产权. 它的研制成功将可以填补国内工控系统s o c芯片的空白。 1 . 2 国内外研究现状 为了 满足市场对工业型计算机的要求， 除了v me总线工控机外， 产生了一 系列基于p c的、 与i s a / p c i 总线标准兼容的嵌入式工控机， 其中比 较有代表性 的是c o m p a c t p c i / p x i 总线、 a t 9 6 总 线、s t d总线、 s t d 3 2 总线、p c / 1 0 4 和p c / 1 0 4 - p l u s 总线嵌入式工业控制机13 3 1 在8 0 年代末， a m p ro c o m p u t e r s 发明了p c / 1 0 4 总 线。1 9 9 2 年3 月p c / 1 0 4 总线联合会发布了p c i 1 0 4 规范1 .0 版， 几经修改， 于 9 9 6 年6 月公布了p c / 1 0 4 规范3 .2 版 3 3 1 p c / 1 0 4是工业上用于嵌入式板卡的一种较普遍的规格。 这些层叠森严， 具 有i s a 或 p c i 接口 的3 .6 x 3 .8 大 小的 板 卡 13 5 1 ， 使 其 更 适 合 在 尺 寸 和 空 间 受 到 限制的嵌入式环境中使用， 在医疗， 运输， 军事和 p o s 应用上又找到了 新的机 p c / 1 0 4总线工控机主流产品是 4 8 6 d x和 5 8 6 ，如 win s y s t e m s公司 4 8 6 d x 4 - i o o m h z 的s a t - d x 5 x 8 6 - 1 3 3 m h z 的p c m - 5 8 6 . v e r s a l o g i 。 公司的 v s b c - 6 ，支持p e n ti u m 1 3 3 - 2 6 6 mh z 和a md k 6 - 2 2 0 0 - 3 6 6 mh z 处理器(3 3 ) 目 前，工控系统已经将串行接口、并行接口 2 、软盘控制器以及硬盘接口等 些 些 逃兰 逊:l 丝 竺乙 一 一 一 一一 一 一_第 一 章绪 论 1 / o接口集成到一个外设控制器内， 并由配置寄存器统一配置。 这样既减少了 外 设接口所占用的 1 / o地址，又能降低成本、功耗。此外集中配置还便于编程和 管理。这种集成的外设控制器己成为市面上主流产品，广泛应用于工业控制系 统中。 然而，我国微电子行业整体水平与国外相比有很大差距。目 前我国军事、 民用工控系统几乎全部采用进口芯片，不利于国内的工控机产业提高产品竞争 力和持续研发能力。关键芯片受制于人，而且存在极大的安全隐患。因此，设 计、 研制具有自主知识产权的芯片已成为共识。 本研究课题来源于西北工业大学航空微电子中心所承担的国防十五预研项 目。该国防预研课题主要目的在于完成 3 2 位高性能处理器 i p核的开发，以及 基于该i p 核完成具有自 主知识产权的p c 1 0 4 工控机s o c样片 “ 龙腾s 1 ”的开 发。作者负责 “ 龙腾s 1 ” 工控系统芯片中串并通信协议控制器的设计、验证与 实现。 “ 龙腾s l p c 1 0 4 工控s o c的设 计， 完全采用正向、 自 顶向 下的设计方法， 集成了自 主版权的嵌入式微处理器i p 核、 系统控制i p 核， 以及设备控制i p核， 具有全部的知识产权。 它的研制成功将可以填补国内工控系统s o c芯片的空白。 1 . 2 国内外研究现状 为了满足市场对工业型计算机的要求， 除了v me总线工控机外， 产生了一 系列基于p c的、 与i s a / p c i 总线标准兼容的嵌入式工控机， 其中比 较有代表性 的是c o m p a c t p c i / p x i 总线、 a t 9 6 总 线、s t d总 线、 s t d 3 2 总线、p c / 1 0 4 和p c / 1 0 4 - p l u s 总线嵌入式工业控制机13 3 1 在8 0 年 代 末， a m p ro c o m p u t e r s 发明 t p c / 1 0 4 总 线。 1 9 9 2 年3 月p c / 1 0 4 总线联合会发布了p c / 1 0 4 规范1 .0 版， 几经修改，于 9 9 6 年6 月公布了p c / 1 0 4 规范3 .2 版3 3 1 p c / 1 0 4是工业上用于嵌入式板卡的一种较普遍的规格。 这些层叠森严， 具 有i s a 或 p c i 接口 的3 .6 x 3 .8 大小 的 板 卡 (3 5 1 ， 使 其 更 适 合 在 尺 寸 和 空 间 受 到 限制的嵌入式环境中使用， 在医疗， 运输， 军事和 p o s 应用上又找到了新的机 、 p c / 1 0 4总线i控机主流产品是 4 8 6 d x和 5 8 6 ，如 w i n s y s t e m s公司 4 8 6 d x 4 - 1 0 0 mh z的 s a t - d x 5 x 8 6 - 1 3 3 mh z vs b c - 6 , 目前， 支持 p e n t i u m 1 3 3 - 2 6 6 mh z 和 a md 的p c m - 5 8 6 . v e r s a l o g i c 公司的 k 6 - 2 2 0 0 - 3 6 6 m h z 处理器(3 3 ) 工控系统已经将串行接口、并行接口、软盘控制器以及硬盘接口等 ， 2 皿 il t -4 l 竺 li) 上壑i e 兰一_ _; a - f r绪 论 u o接口集成到一个控制器中， 这就是我们常说的外设控制器， 如l g的p r i m e 3 c i n t e l 的8 2 0 9 1 a a以及 s ms c的f d c 3 7 c 6 6 5 g t等。 p r im e 3 c是一种高性能的集成外设控制器， 它包括一个软盘控制器、 2 个串 行接口 、 多 功能并行 接口 、 i d e 接口以 及红外接口 等i ii 。 其中， 软盘控制器作为 处理器与软盘驱动器之间的接口，提供了它们通信的所有功能:两个串行接口 和g m1 6 c 5 5 0 兼容，是一种全双工、 双缓冲的可编程串行异步通讯元件;而多 功能并行接口结构上与i b m p c / x t和 p la t完全兼容，并支持增强型并行口 e p p协议和扩展功能并行口 e c p协议。 这些i ! 0控制器的集成降低了成本、 功耗，并且易于使用，与i b m p c i a t完全硬件兼容i l l 卜 r u 几 ; 厄 1 nl z 1 64 ti 5 心 ， 一 i n n ! i t : i yc t r c -u n飞 咬 ， rl d丈 r 卜 协: t , i i u n r j n ,. 沐 蔗 i n t r r 长 : c , 10 1 1 lf 6l 图1 - 1 p r i m e 3 c结构框图 虽然这些 u o控制器的集成技术已经相当成熟，但是国内目前还没有自 主 设计知识产权的同类产品。据资料表明，国内目前主要是基于串口、并行接口 等 u o控制器的应用，主要体现在通信程序的开发、多 协议 通信板的设计研制 以及利用串并接日实现系统间的通信等方面。 虽然也有相关单位进行串口i p 核 以及并行接口的设计开发，如西北工业大学航空微电子中心王巍博士设计的基 于m c u的 通用串 行数据通信处理器13 8 1 和并行 接口8 2 5 5 a i p 核，电 子 科技 大学 金 超设 计的 异步e p p 并行接口 【3 9 1 ， 但在实 现u a r t 与同 步i e e e 1 2 8 4 并 行 接口 的单片集成方面，国内仍是空白。 西北 毛 业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 . 3 论文研究工作 本课题所开发的p c 1 0 4 工控机系统包括高性能处理器核，系统控制器， 外 设控制器等。我主要完成外设控制器中串并行通信协议控制器的设计。通过收 集、分析大量资料，掌握了该领域研究的发展方向和研究难点。在此基础上， 结合p c 1 0 4 工控机s o c设计开发需要，作者所作的工作包括以 下几点: . 根据p c 1 0 4 工控系统特点及s o c开发需求， 进行串并协议控制器的总 体结构设计。 . 研究并分析异步串行通信协议和i e e e 1 2 8 4 标准并行通信协议。 . 设计并实现通用异步串行收发器，包括寄存器组，波特率发生器，串 行接收组件，串行发送器，中断控制及状态控制组件等。 . 分析并行通信的接口时序，设计并实现并行通信协议控制器不同通信 模式的控制通路，包括状态机的实现，相应的状态控制以及不同通信 模式之间的转换等，将异步通信过程改为同步设计。 . 串并通信协议控制器的综合，以 及f p g a实现。 . 搭建可与p c机进行通信的验证平台， 设计串 并通信验证方案， 并编写 相应的测试程序以实现与p c机的通信，观察系统运行情况。 l 4 论文的安排 论文的第一章为绪论。 论文的第二章总体介绍 “ 龙腾s 1 ”串并通信协议控制器的结构和内部的配 置寄存器，并分析相应的串行通信及并行通信协议。 论文的第三章对通用异步串行收发器进行分析和设计，重点论述了收发器 的控制状态机以及收发状态的控制。 论文的第四章为i e e e 1 2 8 4 并行通信协议控制器的分析和设计，提出 一种 同步设计方案，针对不同的通信模式，设计相应的控制通路。 论文的第五章讨论了串并通信协议控制器的综合与实现的相关问题，并详 细介绍了s y n o p s y s 验证流程 和基于f p g a 验证平台 的 系 统 验证方 案。 论文的第六章为结束语。 西北工业大学硕士学位论文 第二章 串并通信协议控制器总体设计与通信协议分析 第二章 串并通信协议控制器总体设计与通 信协议分析 串并通信协议控制器的结构设计 “ 龙腾si s o c简介 “ 龙腾 s 1 ” 是与p c / 1 0 4 协议兼容的工控s o c芯片， 其结构如图2 - 1 所示。 图2 - 1“ 龙腾 s i ” s o c 它由自 主研发的兼容i n t e l x 8 6 定点、浮点指令集的微处理器核和系统控制 器以及外设控制器三大部分组成。 系统控制器包括控制主存的s d r a m控制器、 完成总线仲裁的总线控制器、实现与i s a总线协议相关操作的i s a控制器，以 及可编程中断控制器、定时器、 键盘控制器、实时时钟r t c和d m a控制器。 外设控制器则由硬盘控制器、软盘控制器 ( 包括软盘驱动器)、串并通信协议 控制器组成。 此外再加上b i o s r o m就构成了一个完整的工业控制系统。 其中， 异步串行收发器直接连接在i s a总线上，系统利用其输入采集卡采集的数据以 一 5. 西北工业大学硕士学位论文 第二章 串并通信协议控制器总体设计与通信协议分析 第二章 串并通信协议控制器总体设计与通 信协议分析 串并通信协议控制器的结构设计 “ 龙腾si s o c简介 “ 龙腾 s 1 ” 是与p c / 1 0 4 协议兼容的工控s o c芯片， 其结构如图2 - 1 所示。 图2 - 1“ 龙腾 s i ” s o c 它由自 主研发的兼容i n t e l x 8 6 定点、浮点指令集的微处理器核和系统控制 器以及外设控制器三大部分组成。 系统控制器包括控制主存的s d r a m控制器、 完成总线仲裁的总线控制器、实现与i s a总线协议相关操作的i s a控制器，以 及可编程中断控制器、定时器、 键盘控制器、实时时钟r t c和d m a控制器。 外设控制器则由硬盘控制器、软盘控制器 ( 包括软盘驱动器)、串并通信协议 控制器组成。 此外再加上b i o s r o m就构成了一个完整的工业控制系统。 其中， 异步串行收发器直接连接在i s a总线上，系统利用其输入采集卡采集的数据以 一 5. 西北工业大学硕士学位论文第二章 串 并通信协议 控制器总体设计与 通信协议分析 及输出远程控制信息。更为重要的是，由于系统不包含显卡，因而必须利用串 行接口来进行整个系统的调试。由此可见，串行接口的设计是整个系统至关重 要的一部分。而并行通信协议控制器的数据线为双向口，使用灵活， 可用于测 试仪器与计算机的连接，并且目 前己 广泛应用于其它外围设备和传统的计算机 外设，如终端显示、磁盘驱动器、打印机及绘图仪等。它们是工控系统和外设 通信的主要渠道。 2 . 1 . 2 串并通信协议控制器 工控机串并通信协议控制器包括两个通用异步串行收发器 ( d a r t )以及 i e e e 1 2 8 4标准并行协议控制器， 硬件上和p ri m e 3 c中的串并协议控制器兼容。 其结构示意图如图2 - 2 。其中两个u a r t和g m 1 6 c 5 5 0 兼容，是一种全双工、 双缓冲的可编程串行异步通讯 元件。 并行协议控制器结构上与 i b m p c / x t和 p c / a t完全兼容，并支持增强型并行口e p p 协议和扩展功能并行口 e c p 协议。 并且，该串并通信协议控制器可以实现编程配置。在配置寄存器中可以总体禁 止或启动u a r t和并行协议控制器，实现中断请求通道和d ma通道的分配以 及控制并行协议控制器采用何种通信协议等 i 1 a e n i o w n i o r n s d ( 7 : 0 1 s a l 1 5 : 0 1 t c d t r n, r t s _ n , 0 u t 1 n, 0 u t 2 n . d c d b e _ n , a u t o f d n , i n i t _ n , s e l e c t i n i o c h r d y a c k _ n , b u s y , p e r r o r d r q a , d r q b , d r q c d a c k _ a _ n , d a c k _ l d a ck c n s e l e c t . f a u l t i r q .a . i r q b . i r q c . i r i r q e . i r q f . i r q h n , 0 u t 1 _ n , 0 u t 2 d c d n 图 2 - 2串并通信协议控制器结构示意图 . i s a接口 对i s a 地址读写信号进行译码，区分是u o 操作还是d ma 操作，产生内部的 操作控制信号，以完成对内部寄存器的读写访问。 西北工业大学硕士学位论文第二章 串 并通信协议 控制器总体设计与 通信协议分析 及输出远程控制信息。更为重要的是，由于系统不包含显卡，因而必须利用串 行接口来进行整个系统的调试。由此可见，串行接口的设计是整个系统至关重 要的一部分。而并行通信协议控制器的数据线为双向口，使用灵活， 可用于测 试仪器与计算机的连接，并且目 前己 广泛应用于其它外围设备和传统的计算机 外设，如终端显示、磁盘驱动器、打印机及绘图仪等。它们是工控系统和外设 通信的主要渠道。 2 . 1 . 2 串并通信协议控制器 工控机串并通信协议控制器包括两个通用异步串行收发器 ( d a r t )以及 i e e e 1 2 8 4标准并行协议控制器， 硬件上和p ri m e 3 c中的串并协议控制器兼容。 其结构示意图如图2 - 2 。其中两个u a r t和g m 1 6 c 5 5 0 兼容，是一种全双工、 双缓冲的可编程串行异步通讯 元件。 并行协议控制器结构上与 i b m p c / x t和 p c / a t完全兼容，并支持增强型并行口e p p 协议和扩展功能并行口 e c p 协议。 并且，该串并通信协议控制器可以实现编程配置。在配置寄存器中可以总体禁 止或启动u a r t和并行协议控制器，实现中断请求通道和d ma通道的分配以 及控制并行协议控制器采用何种通信协议等 i 1 a e n i o w n i o r n s d ( 7 : 0 1 s a l 1 5 : 0 1 t c d t r n, r t s _ n , 0 u t 1 n, 0 u t 2 n . d c d b e _ n , a u t o f d n , i n i t _ n , s e l e c t i n i o c h r d y a c k _ n , b u s y , p e r r o r d r q a , d r q b , d r q c d a c k _ a _ n , d a c k _ l d a ck c n s e l e c t . f a u l t i r q .a . i r q b . i r q c . i r i r q e . i r q f . i r q h n , 0 u t 1 _ n , 0 u t 2 d c d n 图 2 - 2串并通信协议控制器结构示意图 . i s a接口 对i s a 地址读写信号进行译码，区分是u o 操作还是d ma 操作，产生内部的 操作控制信号，以完成对内部寄存器的读写访问。 西北r 业大学硕 卜 学位论文第二章 串并 通信协议控制器总体设计与通信协议 分析 . 酉 己 置寄存器 此控制器包含 8个配置寄存器，可以通过软件来设置。主要用于启动异步 串行收发器、并行协议控制器，选择并行协议控制器操作模式以及分配中断请 求线和 d ma通道等。每一个配置寄存器由索引地址寄存器的值唯一指定。向 索引数据寄存器写数据可以改变配置寄存器的内容。 表2 - 1 串并协议控制器配置寄存器 索引地址配置寄存器 c2功能选择寄存器 ( f s r ) c 6并行协议控制器基地址寄存器 ( p a r ) c7串 行收发器1 基地址寄存器 ( f s r ) c8串 行收发器2 基地址寄存器 ( s s r ) c9d m a选择寄存器 ( d s r ) cai r q选择寄存器 ( i r r ) cb串行收发器i r q选择寄存器 ( s i r ) do打印 机控制寄存器 ( p c r ) . 通用异步串行收发器u a r t 可编程通用异步串 行收发器u a r t 是一种功能上完全等价于g m 1 6 c 5 5 0 的 异步通讯元件( a s y n c h r o n o u s c o m m u n ic a t i o n e l e m e n t - a c e ) a u a r t 发送器和 接收器中带有1 6 个字节的f i f o ， 在f i f o模式下可以 被激活。 该u a r t 根据程 序设定的字符格式接收来自 外围设备或者mo d e m的串行数据并将它转换成并 行数据; 它也可以按编程设定的字符格式将来自c p u的并行数据转化成串行数 据输出。在功能操作期间，c p u可以在任一时期读取完整的u a r t状态信息。 这些状态信息包括u a r t完成发送操作的类型和条件，也包括出错信息 ( 奇偶 校验、 溢出、 帧错误或接收中止) 。 并且， u a r t内部具有带优先级的中断系统， 有多种中断源。允许在符合条件时发出中断请求，或禁止在符合条件时发中断 请求。当某中断源有请求时，若允许该中断请求。则在中断标识寄存器 i i r中 设置该中断源的编码， 并发出中断请求信号。 c p u响应中断后读取 i i r ，以 确 定中断的类型。 i e e e 1 2 8 4标准并行协议控制器 i e e e 1 2 8 4 标准并行协议控制器支持i b m x t / a t兼容并行端口， p s / 2双向 并行端口， e p p ( e n h a n c e d p a r a l l e l p o rt ) 端口以 及e c p ( e x t e n d e d c a p a b i l i t y p o rt ) 端口 。 相对应的， i e e e 1 2 8 4 有五种通信模式: 兼容 模式( c o m p a t i b i l it y m o d e ) , 西北t业大学硕士学位论文第二章 串并 通信 协议 控制器总休设计与 通信协议分析 半字节模式( n i b b l e m o d e ) 、 字节模式( b y t e m o d e ) . e p p 模式( e n h a n c e d p a r a l l e l p o rt m o d 。 版本1 . 7 及1 .9 ) 和e c p 模式 ( e x t e n d e d c a p a b i l i t y p o rt m o d e ) 。 这 些通信模式以及中断请求线、d m a通道和 e p p操作模式的版本都可以在相应 的配置寄存器中设置。 2 . 1 . 3 配置寄存器 串并通信协议控制器的配置寄存器共有8 个， 其中1 个寄存器用于启动异 步串 行收发器和并行协议控制器， 3 个用于选择串 行收发器和并行协议控制器的 基地址， 1 个设置并行协议控制器操作模式， 剩下的配置寄存器用于分配中断请 求 线 和 d m a 通 道 1111121113 1 上电之后，串并协议控制器处于缺省模式。所有的缺省模式都将在描述的 配置寄 存器中定义。系统的 整个配置过程必须严格遵循下面3 个步骤来完成 1 1 , 1 .进入配置模式:向端口3 9 8 h 写两次3 3 h . 2 .酉 己 置寄存器。 将索引值写入端口3 9 8 h . 向端口3 9 9 h 写入数据或从端口3 9 9 h 读数据。 3 .退出配置模式:向端口3 9 8 h 写一次5 5 h . . 功能选择寄存器 ( f s r ) 该寄存器用于启动两个串行收发器和并行协议控制器，并选择并行协议控 制器的操作模式。 表 2 - 2 功能选择寄存器 d7 保留，缺省值0 d6保留，缺省值0 d5 保留， 缺省值0 d4 保留，缺省值0 d3 d 3 = 1 ,启动u a r t 2 ，缺省值0 d2 d 2 = 1 ，启动u a r t i ，缺省值0 di - do并行协议控 制器使能， 缺省值 1 1 0 0单向模式 01e c p 模式 1 0e p p模式 1 1 禁止并行协议控制器 西北t业大学硕士学位论文第二章 串并 通信 协议 控制器总休设计与 通信协议分析 半字节模式( n i b b l e m o d e ) 、 字节模式( b y t e m o d e ) . e p p 模式( e n h a n c e d p a r a l l e l p o rt m o d 。 版本1 . 7 及1 .9 ) 和e c p 模式 ( e x t e n d e d c a p a b i l i t y p o rt m o d e ) 。 这 些通信模式以及中断请求线、d m a通道和 e p p操作模式的版本都可以在相应 的配置寄存器中设置。 2 . 1 . 3 配置寄存器 串并通信协议控制器的配置寄存器共有8 个， 其中1 个寄存器用于启动异 步串 行收发器和并行协议控制器， 3 个用于选择串 行收发器和并行协议控制器的 基地址， 1 个设置并行协议控制器操作模式， 剩下的配置寄存器用于分配中断请 求