（轮机工程专业论文）fpga在故障诊断仪中的应用.pdf

摘要 出于对铁路机车安全保障和经济效益的考虑，为了及时准确和在线地诊断 或预测机车存在与潜在的故障，建立经济高效的维护保养体系，故障诊断仪及 相关技术的研究，具有显著的技术和实用意义。 本文在原有故障诊断仪的基础上，进行了f p g s o p c 技术的应用研究，完 成c a n i p 复用技术与g p r s 无线通讯技术的研究及相应功能的设计。提高了系 统集成度。使之与1 日的系统相比，具有小体积，低功耗，低成本，高可靠性，扩展性 好等优点。 作者完成了以下工作： 1 c a n 接口的设计，主要内容包括 ( 1 ) 自定义i p 核总线转换桥的设计。根据越，a i ，o n m s h b o n e 总线的 特点，设计了一个以双时钟异步f i f o 为基础的w 总线转换桥i p 核。并对该 i p 核进行建模，仿真与综合，实现了单周期读写，外设控制等待周期的多周期 读写，流水线读写o w a l o n 高级传输模式) 的数据传输功能。 ( 2 ) c a ni p 核集成。在理解c a n 协议以及i p 核结构的基础上，将软核c a n 控制器p 核集成到s o p c 中，编写测试平台对其主要功能进行仿真验证并综合。 ( 3 ) 软件设计。研究了s o p c 的软件体系结构，设计了c a n 驱动程序。 2 g p s g p i 峪功能设计与实现，主要内容包括： ( 1 ) g p s g p r s 硬件设计。 ( 2 ) g p s g p r s 应用程序设计。 关键词：总线转换桥，c a n p 核，仿真 a b s t r a c t f o rs e c u r i t ya n de c o n o m i cb e n e f i t so f 。r a i l w a yl o c o m o t i v e s ，mo r d e rt ot 0 d i a g n o s eo rp r e d i c tt t i ee x i s t i n go rp o t e n t i a ll o c o m o t i v ef a i l u r eo n l i n et i m e l ya n d a c c u r a t e l y ，a l l de s t a b l i s hc o s t - e 位c t i v em a i n t e n a i l c es y s t e m ，r e s e a r c h i n go nf a u l t d i a 罂l o s t i ca p p a r a ：t l l sa n dr e l a t e dt e c l l i l o l o g y ，h a ss i g i l i f i c 觚tt e c l l i l i c a la n dp r a c t i c a l s i 印i f i c a i l c e i n “st l l e s i s ，d 0s o m er e s e r c ha b o u ta p p l i c a t i o i l so ff p g a s o p ct e c l l l l o l o g y o nn l eo l df a u l td i a 印o s t i c 印p 搬曲s i tc o m p l e t er e s e a r c ha n dd e s i 口o fc a ni p i n t e g m t e da i l d ( 狰r s 谢r e l e s sc 0 舢【1 1 u i l i c a t i o n i no r d e rt 0 i m p r o v cm es y s t e m i i l t e 伊a t i o n c o m p a r e dw i n it h eo l ds y s t e m ，t h ei m p r o v e ds y s t e mh a v em a i l y a d v a n t a g e ss u c h 私s m a l ls i z e ，l o wp o w e r ，l o wc 0 s t ，h i 曲r e l i a b i l i 饥a i l d9 0 0 d s c a l a b i l i 够 o n 血ef o l l o w 崦w o r kc o m p l e t e d ： 1 c a nn e r f a c ed e s i 弘，血em a i nc o n t e n t sa r e 鼬f o l i o w s ： ( 1 ) c u s t o mm c o r c - b u sc o n v e r s i o nb r i d g ed e s i 口a c c o r d i n gt 0f i c a t u r e so f 怂，a i ，o na n dw i s h b o n eb u s ，a 胴，b u sc o n v e f s i o n 研d g ei pc o r ei sd e s i 盟e d b 嬲e do n 嬲) ，1 1 c h r o n o u sc l o c kf i f o b yt 1 1 ei p - c o r em o d e l i n g ，s i i n u l a t i o na i l d s y n t l l e s i s ，t l l ei pc o r es u p p o r t sf h n c t i o n a l 时舔f o l l o w s ：s i n g l ec y c l er e a d i n 州t e m o d e ，p e r i p h e r a lc o m r o lm u l t i - c y c l ew a i tr e 酞i 、诮t em o d e ，p i p e l i n e dr e 呔i 如r i t e m 地0 n m o r 劬啵氨玎m o d e ) t r a i i l s r n i s s i o n m o d e ( 2 ) c a np - c 0 舱i n t e 卿i o n a f b e ru n d e r s 伽m m gn 坞c a n 州o c o la 1 1 di pc o r e s 臼眦t u r e ，也es o f t - c 0 陀c a nc 0 蛐的l l e rp c o r ei s 锄：e g r a t e di n t os o p c ，觚di t s m a i l lf i l n c t i o no fs 抽m l a ：t i o n 锄ds y n _ t l l e s i sa r et e s t e di nt e s t b e n c h ( 3 ) s o f h a r ed e s i 弘m es o p cs o f t 、a r ea r c 硫e c t u l ei si 曲r o d u c e da n dm ec a n 血v e ri sd c s i g n e d 2 g p s g p r s 缸l c t i o 蹦d e s 谫觚di i n p l e m e 嫩t i 毗龇m a i nc o n t e n t s 眦部 f o l l o w s ： ( 1 ) g p s g p r sh a r d 贼睇d e s i 印 ( 2 ) g p s ，g p r sa p p l i c a t i o ns o 胁狁d e s i 弘 l 哂啊o r d s ：b 郴c o n v e r s i o n 研d g e ，c a n 碑c o r c ，s i n l l l l a t i o n 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名： ! 至塑生 日期： 鲨f 竺：三：! 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权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。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务o ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：鳓匕、导师( 签名乞洳日期扩l 。5 l r 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 本课题的来源及研究意义 本论文依托科研课题基于瞬时转速的柴油机工作状态在线检测与远程故 障诊断系统的研究”。出于对铁路机车安全保障和经济效益的考虑，为了及时准 确和在线地诊断或预测机车存在与潜在的故障，建立经济高效的维护保养体系， 故障诊断仪作为设备技术管理的重要手段，+ 不仅是近年来故障诊断技术热点研 究方向之一，也具有显著的技术和实用意义。 1 1 1 故障诊断仪及其功能概述 故障诊断仪应用电子技术与方法对机车内燃机的各种状态参数进行有效采 集，处理与传输，通过故障诊断算法对机车内燃机进行在线诊断并远程发送诊 断结果的一套电子系统。该设备可以完成对各种机车采集的参数进行运算处理， 显示，无线通讯，保存与定位等功能。 1 1 2 故障诊断仪结构 所需要设计的目标故障诊断仪总体结构如图。采用分布式结构。 图卜l 故障诊断系统总体结构图 武汉理工大学硕七学位论文 目标故障诊断仪的f p g a 内部结构框图： n l o s c p u一三态桥 蚓卧s h 内核 _ 一8 0 i 控 1 日自口蚓s 。从m a 。芯片 a d 接口电路 u a r t 蚓g p 醛 ： ( 系 统总 瞬时转速 线) 一u a r t蚓邯 a v a l o 求取 n b u s c a n 接几 g 刮c a n 收发器 f f r 变换l i a 、总线转 换桥 图1 2 故障诊断仪f p g a 内部结构图 1 1 3 故障诊断仪中值得研究的技术 1 ) 原有故障诊断仪的不足 虽然原来该故障诊断设备与大部分随车诊断设备一样基于以嵌入式微机为 核心+ 诊断单元的模式可以正常工作，但是这种模式不利于系统的随车运行，它 的成本，体积，功耗，可靠性，安装都存在诸多问题。同时缺乏远程通信的手 段，不利于实时监控诊断与数据共享。 2 ) 针对不足之处值得研究的技术 基于原有设备的技术，随着s o c 技术的迅速发展，如何将通用免费的各种 功能强大的i p 核资源在经过仿真验证后集成到这样一块资源丰富的基于f p g a 的故障诊断设备上构建一个s o c ( 片上系统) 中成为自动化领域的研究热点。与之 前的系统结构相比较，所设计的这种片上系统( s o c ) 在规模、可靠性、体积、功 耗、性能指标、开发周期、开发成本、产品维护、硬件升级等方面实现最优化。 利用基于i p 核复用与虚拟模块端口技术改进现有设备是迫切的，是必要的，也 是可行的。值得研究的具体技术如下： ( 1 ) 基于、) r i s h b o n e 总线c a ni p 核的复用以及驱动程序。 ( 2 ) 烈，a l o n 转w i s h b o n e 片上总线桥技术。 ( 3 ) 基于s i g m ad e l l a 技术的a d c 核( 将a d 芯片集成到s o p c 系统中) 。 ( 4 ) 诊断仪上s o p c 软件系统的选择。是基于操作系统上还是基于h a l 层上? 如果选择其中一种，所对应原有上位机的故障诊断程序的移植。 2 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) f f t 2 0 4 8 点的修改与实现以及f f t 与f i r 核的驱动程序( 软件方法) 。 ( 5 ) 硬件直接完成f i r 滤波后进行f f t 运算( 硬件方法) 。 ( 6 ) 基于f p g a s o p c 上的g p s 与g p r s 的应用。 3 ) 本文的研究内容 本文应用片上系统总线桥技术将第三方的c a n 的i p 核仿真验证后集成到 f p g a 中去。利用f p g a 的u 凡町核与g p s p r s 模块的接口技术完成远程通讯并设 计相应的驱动程序及应用程序。 1 2i p 核复用技术概述 1 2 1i p 核及其复用技术发展现状 在i c 设计中，i p 核指的是能完成特定功能，并被仿真验证过的，一体 化的，已被设计好了的电路模块，它的主要形式有二种，硬核和软核。软 核是由硬件描述语言描述的，硬核是基于硬件的。i p 核的复用技术指的就是 i p 核的移植。 软核与硬核的主要区别在于软核与具体工艺无关，有着良好的移植性， 可以重新根据不同的工艺进行修正，不过可能与后续的总体设计产生一些 不兼容。而硬核有着可靠稳定的性能预期表现，但是其工艺在开始的时候 就被固定，很难移植到其他工艺上，移植性差。 结合现在飞速发展日新月异的e d a 技术与综合仿真技术，软核可以非 常方便与其他逻辑迅速地集成在一起。这样对于s o c 设计有极大帮助，扩 展了丰富的资源。软核主要是用硬件描述语言采用可综合的代码编写而成， 为门级或者r t l 级的可综合代码。 在电子工业发达的国家，以欧美为代表，对应于各种通用接口，控制 器，存储器，数字信号处理，d m a ，仲裁器，音视频处理，总线控制器以 及总线控制接口，v g a ，t f t 显示器以及各种微处理都有相对应的商品化 的虚拟接口模块与i p 提供。 i p 核的分类如下： 1 、接口控制器i p 核：如u a i 玎，d m a ，定时器，p i o ，s p i ，s d r a m 控 制器，d d rs d ra m 控制器，蓝牙接口控制器，u s b 控制器，p l l 内核，以太 网控制器接口，p c i 控制器，u s b 控制器，c a n 控制器，1 2 c 控制器，s d m m c 武汉理工大学硕十学位论文 控制器，v g 肌c d 控制器等 2 、传统总线i p 核：p c i 总线控制器，i s e i s a 控制器，p c i 总线仲裁器， 中断控制器等。 3 、数字信号处理核：f f t ，f i r 等，还有音视频处理的i p 核，如j p e g ， j p e g 2 0 0 0 ，m p e g 等等。 4 、混合信号核：基于s i g m ad e l l l a 技术的a d c 核，如a c t e l 公司在第 十一届国际集成电路展览会展出a d c 可编程混合信号f p g a ，但未见有相关产 品面世，其他第三方机构开发出a d c 核，精度只有8 1 0 位，采样率低不超过 4 8 0 s p s ，同时面向严酷的工作环境，无法满足其工业级要求。还处于研究阶段。 5 、用户自定制i p ：用户自行开发嵌入式外设，这对于用户特有的接口逻辑 来说几乎是必须的。用户同样可以为自己的高性能计算开发专用的i p 核，满足 系统的硬实时要求。 下面介绍一下全球几大i p 与虚拟接口模块提供服务商。 a m e r i c a nm i c r o s y s t e m 主要提供数据运算，d s p ，微处理器，存储器， 串行口等门级或者r t l 级的虚拟接口模块和i p 。可综合可仿真。 a r ms e m i c o n d u c t o r 主要提供微处理器，8 0 3l 8 0 5l 8 0 3 2 系列，通信， 总线控制器，p c m c i ah o s t 等系统级虚拟接口模块，用于仿真。 s c e n i xs e m i c o n d u c t e r 主要提供控制器，n s c o p 8 ，p c i 仲裁器主端或 者从端，d m a 等虚拟接口模块和i p ，采用门级与r t l 级。可综合可仿真。 s i e r r ar e s e a r c ha n dt e c h n o l o g y 主要提供a t m s a r6 2 2 ，以太网控制器 1 0 1 0 0 m ，c p u r 3 0 0 0 核等门级或r t l 级代码。 s i l i c o ne n g i n e e r i n g 主要提供m i c r ov g a 显示核等门级或r t l 级代码。 而我国的大陆地区i c 设计领域工作起步较晚，投入不够，虽然也有部 分国内厂家比如中科院计算机所，芯源微电子，勾股通信，新思科技等公 司也推出自己的商业用i p 核，但是总体来说，很多设计单位难以及时得到 商业化的软核。仍然处于自己研发阶段较多。 对于大部分设计人员来说，最好是用商业化的i p 完成自己的电路系统， 但是由于软核模块都是验证的，能够保证设计所需要求的绝对正确，是有 自主知识产权的，因此价格是非常的昂贵，也难以获得源代码，不可能免 费得到。 有鉴于此，为了进一步降低成本，加快i p 复用技术的普及，推动电子 信息技术的发展，近年来，也有不少第三方组织如o p e n c o r e 组织，c s i p 组 4 武汉理工大学硕士学位论文 织也都提供与维护自己的开源i p 核( 广义上来讲，软核与虚拟接口模块都是 知识产权模块即i p 核) ，可以自行研究，使用与更改i p 核以适应自己的应 用。 1 2 2 集成电路i p 设计流程 i p 作为完整的一个硬件电路系统，首先根据需求分析，功能要求，性 能要求，然后从系统设计入手，对于该总体的方案进行论证，描述，将一 个总体任务划分为几个可操作模块，然后编写相关的虚拟模块接口对所要 完成的这些模块进行仿真并验证，成功后，将这些模块继续分解，这些分 模块i p 继续被用行为级代码被描述，重复上一步工作，继续仿真与验证， 采用这种从上至下的顶层设计方法，直到可以用最基本的元件将所有的子 模块全部实现为止。 就这样，用层次化的管理方法，对这些模块按层次进行管理，每个上 层的模块都将调用下层的模块，每层模块在自己的当前层都是最基本的单 元，这些子模块通过模块间互联的描述，无论是用e d a 的电路图描述还是 h d l 语言描述，构成了上一层模块的行为模型。 在具体的模块设计时，根据层次的不同，所做的仿真验证工作也有所 不同，因为总的系统设计最终是必须由可综合代码编写而成，必须形成具 体硬件，也就是说，必须由低层电路元件自下而上用逻辑实现。那么在低 层次的时候，就必须对所测试的模块不但要进行仿真以验证它时序，功能 的正确性，同时还需要进行综合，布线布局和加延迟的后仿真。而高层次 的行为级模块，只需要对其进行功能仿真，验证其功能，不需要具体电路 的硬件实现，所以就不要综合以后的步骤了。 当仿真验证后的硬件描述语言代码被综合成逻辑网表后，再针对不同 的f p g a ，不同型号，不同厂家所对应不同的库文件可综合出不同布线延迟 模型的基本单元来，接下来依据这些库所综合处接近真实的基本单元来优 化布局布线，这些基本单元库以及与之对应的基本单元的延迟模型由这些f p g a 或者a s i c 厂家提供的，设计人员通过e d a 软件重新载入这个被库编 译后的文件进行后仿真，在考虑设计功耗，信号完整性，d f t ，s t a 检查 和功能覆盖检查后才能够流片。 具体流程图如图1 3 。 s 武汉理= 大学硕士学位论文 一。 i p 规格定义：， 一一 一一 一 ( 功能需求分析 j 、一一：二 算法设计与架构设计) = ，= 二= = 了1 = = - t 画唾l 芝二章 ( 建立时间约束文件) ( 编写r t l 代码 ) (气；? ，：譬 一：二童= ! ll 二二一 了二 ( 子模块1 ) ( 子模块r 卜1 ) ( 子模块n ) 搭建软 硬件协! 同仿真i 环境 ( 匦h j 釜希) ( 噩) ( 时序约束文件) ( 倒化子模块，生成顶层模块 ) (墨：罴) = 兰= 乏- 、二二，二= 二二孝一一 ( 综合 )( 仿真。功能测试) 二二 二、二：二l 二。 一：二：玉二二 设计通过) 图1 3i p 核开发流程 6 n引u i 武汉理工大学硕士学位论文 1 3i p 核接口与片上系统总线概述 由于i p 来源广泛，功能各异，种类繁多，及其复用移植性，这么多i p 核有着多种多样的接口如c a n ，1 2 c ，s p i ，蓝牙，u s b ，以太网，1 3 9 4 等，还有些传统总线如i s a ，e i s a ，p c i ，p c i e ，每种总线应用的场合不 同，面向用户群不同，他们功能多是在特定场合下发展起来的，各有所长。 在s o c 的设计中，对于使用这些核，一般都要使用一种公认的，使用广泛， 兼容性好的总线来进行复杂的系统集成。 那么下面来介绍下现有技术中的几种典型的片上总线结构： ( 1 ) 以a l t e r a 公司为代表的a v a l o n 总线结构： b 慨s i 酬 聊- d t - - 一 丘 c w 0 1 w - - 一_ 曩一4d o k 口眯l o + c 耶曲id c ，k c l 一一一-3 n i 氆n c p ul 乜刭 i d m f a n t 玎盯 网仁f i 瞄i 网i i i j 一 ”。i iii 、rx i iii l j 也 i ii 一 i 二三= 羊= = = ：l = 1 i 10，! ， i l i j j ”。；i 等 j ，辩 i j l i j !，-1p - i s l 由c ll 瓤埘ri1 ，cll m ，c i h 媾恤t i i n n 九t i 锄i n s 日优t j 锄b s 仃u c t j 锄 m c m l 可_ ym c m 町m c n f ym e n 弛口 - 与与 图1 4a v a l o n 总线结构 a v a l o n 总线的几个重要特点： 1 使用a v a l o n 总线外设，不需要关注，也就说不需要设计a v a l o n 总线的仲裁机制，该机制被设计好并被包含在a v a l o n 总线模块中。 2 支持超大地址空间4 g b ，a v a l o n 外设无论是存储器还是外设都将 被自动分配各自的地址空间。同时a v a l o n 外设的片选信号会在需要被访 问时被总线模块自动通过地址译码功能选通。 3 总线模块支持多主设备并发访问a v a l o n 外设，不占用总线控制权， 只占用从设备控制权。 4 自由的总线配置方式，用户可以根据自己的实际应用需要，选择需 要的连接方式，选取特定的传输信号，设计人员只需要将这些信号简单连 7 武汉理工大学硕士学位论文 接一起，a v a l o n 对这屏蔽了细节。 ( 2 ) 以x i l i n x 公司为代表的，i b m 公司提出的c o r e c o n n e c t 总 线结构，总线结构图如图3 。 图1 5c o r e c o n n e c t 总线结构 该总线结构提供三种连接结构，处理器内部连接结构p l b 用于高速高性能 设备，比如d m a ，c a c h e 等，外设连接结构o p b ，多用于连接低速，地址宽 度不等的外设，比如键盘，串口等，d c r 用于c p u 管理寄存器的总线连接结构， 这三个部分用途不同，各有分工，结合起来完成一个复杂，系统，功能强大的 片上总线，该总线功能众多，结构完备，通用性强，主要适用于复杂度高的系 统。 ( 3 ) 、i s h b o n e 总线则是s i l i c o n 公司开发出的，而后交由o p e n c o r e 组织重 点支持，维护的片上总线结构，由于其简单，方便易用，开源免费的特点，随 着o p e n c o i 迮组织的影响力越来越大，推出许多功能强大的i p 核，这些i p 核 大多数都带有、i s h b o m 总线接口，导致该总线的发展研究变得非常热门，获得 了来自多家第三方厂商的支持。w i s h b o n e 总线也有支持多种连接结构，多种传 输模式的特点，同时有着良好的扩展性与自由度，可以规定w s i h b o n e 规范中含 有的信号线定义。 除了上面三种应用广泛的片上系统总线外，还有删公司推出的一套高性 能的总线规范a m b a 系统总线集，该系统总线集实际上包含了三种总线，a h b ( a d v a i l c e dh i 星灿p e r f 0 咖a n c eb u s ) ， a s b ( a d v a l l c e ds y s t e mb u s ) ，a p b 8 武汉理1 二大学硕士学位论文 ( a d v a n c e dp e r i p h e r a lb u s ) ，但这三种总线在访问同类型外设时有冲突，i p 核集 成上困难较大，暂时没较好的办法。 另外还有被国际组织o c p i p 提出的基于核出发的o c p 系统总线标准，主 要特点是多线程并发，有很高的数据带宽。可应用大部分片上设备通信互联。 不同的i p 被集成到片上总线的不同层次上，不同层次总线之间采用总 线桥设备来连接。伴随技术的发展，单一总线体系下的i p 设计与复用已经 不能满足实际应用的需要，一个i p 核在不同的总线体系下不能通用。片上 总线的种类很多，为了解决基于单一片上总线协议下设计出的i p 核无法在 其他总线协议下通用的问题，必须设计总线转换桥来完成不同总线协议间 的通讯。 结合本文所需要做的工作，详细介绍两种总线的传输类型。 1 4 两种总线传输模式介绍与比较 1 4 1a v a l o n 总线规范 自2 0 0 7 年后a l t e r a 发布了最新的a v a l o n 总线规范，包含两大接口类： a a l o n m m ( a v a l o nm e m o 巧m a p p e d i n t e r f a c e ) 接口标准和a v a l o n s t ( a v a l o n s t r e 锄i n gi m e 妇e ) 接口标准。 ( 1 ) a v a l o n m m 传输模式 a v a l o n - m m ( a v a l o nm e m o um a p p e d i n t e r f a c e ) 接口主要用于对内存地址映 射的主从设备读写接口，比如c p u ，存储器，串口，定时器， a v a l o n m m 即 可以支持简单的固定周期的读写传输，也可以支持流水线与猝发传输。 具体分为基本( t ) r p i c a l ) 传输、流水线( p i p e l i n e d ) 传输、突发( b u r s t ) 传输，以及带有流控制( f l o wc o n t r 0 1 ) 的传输和专门针对片外端口的三态 ( t r i s t a t e ) 传输。每类传输分为主从端口两大类。一个m a s t e r 端传输和一个 对应的s l a v e 端传输即可完成两个外设通过a v a l o n 总线模块进行的一次数据传 输。同种类型的m a s t e r 端传输与s l a v c 端传输在时序上基本是一致的，其区 别仅在于m a s t e r 端传输是传输过程先由m a s t e r 端外设驱动a v a l o n 总线模块， 而s l a v e 端传输是由总线模块驱动s l a v e 端外设。 下面将分别介绍a a l o n m m 总线和a v a l o n s t 总线主从端口信号时序以 及特定信号。以主端口为例： 9 武汉理工大学硕+ 学位论文 hh 3i i o 广 厂 r 互：l a d d c 髓i r1 a d d r c 毫s ；r ! 雹 盔窿d l 编一。l 浏 j i i 打 l j l 三= 二o = 一_ ：= ir d d a 。 a e 二一一、 一一 e 已，j 一e o 一二n ：二o“娅 w l n c d a 臼 k 裔 图1 6 单周期读写时序图 这为一个基本传输模式，读写均在一个周期内完成。 j广1 一- 、uu 厂l 几几l 蝣? 1i、a 旧f a ，尹1 711 li ，警 、b y “i c n a b e l 互二一二。皇量 t l ：， l ， i l| f it |， i il 呻 ” l， i l l u i ， 色、 2 j 、 ? “ir e a d d a t 2l 唰雌m i 。w 世粤嘲! # 唯一-、m 、t ，嶝 匦1 目自z “ ：、 w t o d a t a 置鲴 图1 7 带外设等待延迟的读写时序图 该模式由外设控制等待时间，主模块等待从模块做好读写数据的准备。 d d d - 囊 皓 i 暑a d 托 45 l e 7 7 几门 hn 几iu 磊，a d d 1i a d d l 2 a d d na d d f 4a d d f 5l i 一 ，盘 i 囟 胁r 一一一一一嘲 誓皇赫茌擘l d a 协1i a 协2 陵鲶锑磋禽瑟“翟a 协3d a i a 4i 拳。尊畴y 荸i 瓤，fd 粕5 圈 i ill 图1 8 带外设等待的流水线读写时序图 该模式用于需要对连续地址进行操作，并且地址与数据为一对一，按顺序 输出，传输效率较高。 l o 蒜幢 武汉理l 人学硕士学位论文 ：1：2 3 i 4 5 ：6：7 稼一n 一厂 门广 m 广1 门几n 训怕箱互汇二亘五= 工= = = 奎 = = = 苴= 三主：3 ：盈a d d 怕箱醯l i曼g 垒! ! k ：t ：i 、：；：= ：i ：；i ：i ：鎏 蛔g 咖瞄舰劬r i 几i ! 幽 i i i 一匿荭= j 二= 砭至奎= 五匿互二窭e 三至互葺蛋 m 轴 ；厂1出厂可1 删出匿工二查互= 丁至互巨= 五e = 臣歪强= 玉垂卫 怕h q l 麒匿白- - ；出i n；厦 图1 9 突发写传输时序图 以上这种突发传输模式，与流水线读模式差不多，都是地址与数据段隔绝， 但是差别是，读写一个地址，对应返回多个数据。 ( 2 ) a v a l o n s t 传输模式 d k r nn 几几几几几n 他鲥y 厂 厂 州i d 厂 厂 曲锄晴蓬二：【：二二 二 ：工二二二口囝 e 帕r 匿= 二= 【= = 口 d 幽匿= 王正卫卫 工 至】叵厨 图1 1 0s t 传输模式 a v a j o n s t 该模式的适用场合为需要高数据传输带宽，低延迟，单向端对端 传输。 1 4 2 晰s h b o n e 总线规范 w i s l 岫n e 总线规范是一种采用m a s t e r s l a v e 片上系统i p 核互连体系结 构。它定义了一种i p 核之间通用的逻辑接口，减轻了系统组件集成的难度，提 高了系统组件的可重用性、可靠性和可移植性。w i s h b o n e 总线有四种连接方式， 分别为点对点、数据流、共享总线和十字互连。w i s h b o n e 总线有三种数据传输 方式，分别为单读写、块读写和i 洲w 。同时w i s h b o n e 总线采用握手协议机制。 这种机制下，m a s t e r 和s l a 、，e 均可控制数据传输速率。 连接方式如下： 武汉理工大学硕士学位论文 图1 1 l点对点连接方式 囱囱囱 图1 1 2 共享总线传输 墓蚕 翼垦x翼蚕 垂垦x翼蚕垦垦 图1 1 3 数据流传输 武汉理= 大学硕士学位论文 i 1 日啦” i i 0 1 。 l l 一” 日攀 l l 一 l l l q l 【 f 都 i i 。- ：i i 哪； l l 褂 图1 1 4 带硬件握手的读写时序图 盈蚊运拙 垂 盈唪墨鬣靼 量 露耐飚盔磷盔 塞 题率d c 互茸 基 图1 1 5 单周期读写时序图 w i s h b o e n 总线除了常规信号线以外，还支持t g a ，t g d ，t g c 等开放信号 线。该信号定义完全由设计者决定。 1 4 3 两侧总线传输方式的选择 根据将要应用的场合，需要对c a n 的端口寄存器进行访问，首先由于 a v a l o n s t 模式的单向高速性，作为个字符型设别来说，是没有必要的，不需 要在同一时间单向传输大量数据，其次由于a v 出o n m m 模式下的突发传输是一 输入对应多输出，也不符合c a n 外设的一一对应的需求，剩下的可变读延迟模 式，具有较高的传输带宽，对于连续数据缓冲区的读写支持好，故在a v m o n 段 选择这种高级的a v a l o n 传输模式，当然，总线桥也支持单周期读写与等待读写 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 周期，向下兼容。 而从w i s h b o n e 段看，由于c a ni p 本身只支持基本的读写周期，也没有定义 t g a ，t g d 等开放性信号线，故此诵s h b o n e 端选择基本的带有硬件握手的读写 周期。 1 5 本文的主要工作及创新 由于所选的o p e n c o r e 开源c a n i p 所用的为晰s h b o n e 总线接口，而c a ni p 进行数据传输时，需要经常读写数据缓冲区，这些读写操作为对连续地址的读 写操作，所以综合上面2 种特点，设计一种基于可变延迟读传输模式( 流水线传 输模式) 的总线转换桥，实现从趟，a l o n 到晰s h b o e n 端的数据透明传输。 示意图如图4 。 l j 、 厂_ l ， 图1 1 6 总线桥连接结构图 在设计并成功验证该总线桥的情况下，验证c a ni p 的主要功能，将该i p 核复用到s o c 系统中。这样一来，通过总线桥的转化以及s o c 的c a n 驱动软 件支持，可对c a n 总线进行高效率的读写操作，进一步提高系统集成度，缩小 系统体积。本文需要完成的主要工作： 1 在f p g a 平台上完成基于w i s h b o n e 总线的c a ni p 核的集成，实现 c a n 的通讯。主要工作包括： ( 1 ) 设计基于流水线传输模式的趟厂a l o n 厂i s h b 饼姬总线转换桥i p 核，对 其进行仿真验证与综合，并估算其资源。 ( 2 ) 将基于w i s h b o n e 总线的c a ni p 核进行分析，对其仿真验证与综合， 并估算资源。 ( 3 ) 利用总线转换桥技术对c a ni p 进行复用并设计c a nm 的驱动程序。 2 完成了设计，实现g p s 与g p r s 的功能。 1 4 武汉理工大学硕七学位论文 第2 章总线转换桥的设计 2 1 总线转换桥研究的意义 集成电路制造技术的迅速发展使得在片上实现一个完整的系统芯片( s o c ) 成为必然的趋势。基于i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e 啊) 核集成的可重用设计技术成 为解决工艺水平和集成电路设计效率之间最有效的途径。为了能将不同的i p 集 成到s o c 中去，不同的i p 供应商设计i p 时应尽可能遵循标准的总线协议以 保证i p 集成商能够将这些不同供应商提供的i p 快速、可靠地集成到s o c 中 去来提高开发效率，降低系统成本。要实现这个目的，需要对不同的总线协议 进行转换。现在这方面的研究不多。在现有的c o r e c o m e c t ，a m b a ，o c p ， w i s h b o n e ，a v a l o n 等片上总线中，由于w i s h b o n e 总线结构简单、灵活、功能 强大又完全开源免费， 并且在o p e n c o r e 组织维护下得到了很好发展，因此现 在一些免费i p 核大多都采用wi s h b o n e 总线标准。相比昂贵的商业专利i p 核来 说，能应用这些开源的i p 意义重大，但现有技术中针对于不同总线体系之间转 换的研究不多。在市场现有的众多片内总线中，由a l t e r a 公司开发的a v a l o n 片 上总线结构具有性能好、应用范围广和协议规范公开化等优点，使它成为众多i p 开发商和s o c 系统集成者广为采用的一种流行工业标准片上总线结构。 2 2 总线转换桥设计思路与方法 现在一般来讲，有2 种转换方法。 1 ) 简单总线协议转换桥： 优点：简单好实现。 缺点：传输速度慢，两侧频率必须相同。 u 几， l j 几 图2 1 简单协议转换桥结构图 简单协议管脚逻辑连接图，信号连接方式如图3 2 。分别对应着两侧的连接 武汉理工大学硕七学位论文 方式。 w i s h b o n e a v a l o nb u s i c y c ；c h i p s e i e c t 皇! ，r 让eno r ! ：s t b r e a dn ；! 、 n t ena n d l w e r e a dn a c k 昌1 w a 砖r e q u e s t 图2 2 简单协议逻辑连接 以上这种协议转换基于的是带有硬件握手的等待周期读写操作。功能较为 简单，没有缓冲区，握手然后通信。 2 ) 复杂总线协议转换桥： 相比于简单总线协议转换桥，比如传输速度慢，大量数据传输效率低，时 钟频率不匹配等问题，复杂的总线协议转换桥可以做到这一点。 结合将要应用的具体环境，为了在s o p c 中对基于w i s h b o n e 的i p 外设 进行复用，由于c a ni p 的频率与为控制器端的两侧频率不同，同时也需要满足 c a n 上高速率数据被c p u 读取，选择复杂总线协议转换桥的设计思路，设计一 个a v e l l o n 总线一侧作为从设备，w i s h b o n e 总线一侧作为主设备的外设的总线转 换桥i p 以实现c a n i p 核的复用。 要设计这样一个总线桥，根据其特点，必须要从以下几个方面去考虑： ( 1 ) 必须能适用于两侧频率不同的，不同协议间的时序匹配。 ( 2 ) 尽可能在功能上满足两侧总线协议的要求。 ( 3 ) 尽可能提高传输速率和传输效率。 基于以上几点和两种总线特点，由于a v a l o n 与谢s h b o n e 总线协议在高级传 输模式下某些传输方式差别很大。而在基本传输或某些高级传输模式比如流水 线模式方面，作为主设备的a 、，a l o n 侧在性能上属于短板的一方，可以不需要完 成两侧全部总线的其它高级功能的情况下，只需要它能和w i s h b o n e 总线一侧的 从设备进行通讯既可。也就是说总线桥必须要支持单周期以及等待周期读写操 作。 1 6 武汉理工人学硕士学位论文 本文为了进一步提高通讯带宽，提高端口数据吞吐量，选取a v a l o n 总线的 高级传输模式带外设控制等待的流水线传输从模块模式。在这种传输模式 中，其关键是地址传输与数据传输阶段隔绝，利用r e a d d a t a v a l i d 信号标记从端口 发出有效数据r e a d d a t a 时的时钟上升沿。延迟传输可以使得主端口可以发起一次 读传输，转而执行一个不相关的任务( 无论是读，写) ，然后再接收数据，这样 可以使得缓冲存储器保持激活状态，减少平均访问延迟l 引。而a v a l o n 总线写传 输是不需要从端口返回确认信号的，所以不存在带延迟的a v a i o n 写传输。同时 w i s h b o n e 侧选择典型带硬件握手的读写传输模式。 为了实现上述数据的快速读写，协调两侧协议机的时序，使用带有异步双 时钟的f i f o 最为理想。接下来我们将详细介绍基于异步f i f o 的总线转换桥的 设计。 2 3 总线转换桥总体硬件结构的设计 总线桥设计分为3 个部分：异步f i f o ，a 、，a l o n 对f i f o 接口状态机， w i s h b o n e 对f i f o 接口状态机三大部分。下面几节将分别讲述这三个部分： 1 ) 硬件内部逻辑图 a 逻辑控制单元 图2 3 总校桥内部逻辑结构 1 7 武汉理工大学硕十学位论文 逻辑控制单元主要包括地址译码，f i f o 标志信号的生成，格雷码译码与解 码，数据流开关与输出信号控制逻辑等部分。它主要完成编解码，数据流控制， 标志位，控制信号产生，寄存器复位置位以及利用这些控制信号来协调与控制 两侧状态机进行高速流水线传输的功能。 b 异步f i f o 的结构 环行f i f o 寄存器组包括写缓冲区和读缓冲区，写缓冲区包括了8 个寄存 器组，每个寄存器组包括三个寄存器，1 个数据缓冲寄存器，1 个地址缓冲寄存 器，1 个数据读写状态寄存器。数据寄存器保存来自a v a i o n 总线数据、地址、 读写状态。f i f o 状态标示( 指示f i f o 状态：满，空) ，读写时钟使能，读缓 冲区有一组环形f i f o 寄存器，是8 个返回数据寄存器，保存着从w i s h b o n e 端 读操作返回的数据。当读指针复位时，写f i f o 的读指针与空标志和读f i f o 的 写指针与满标志重新置位为0 ；当写指针复位时，写f i f o 的写指针与满标志和 读f i f o 的读指针与空标志重新置位为o 。 c a 、，a l o n 从状态机 用于根据趟，a l o n 主状态机信号，控制读写时序。 d w i s