（理论物理专业论文）基于vme的可编程插件及其在bes触发系统中的应用研究.pdf

摘要 y 5 1 4 4 2 9 国家重点工程项目北京谱议( b e s i i ) 升级工程正处于预制研究和方案初步 设计阶段。b e s i i i 触发判选系统是b e s i i i 的实时数据获取系统的重要组成部分， 其设计方案的确定必须进行必要的实验研究和测试。根据方案设计阶段的需要， 触发课题组提出了设计一块基于v m e 总线的多功能可编程逻辑插件的设想。利用 可编程逻辑电路f p g a 可以对电路重复编程的特性，设计者只要利用专用计算机丌 发工具对f p g a 进行重复编程，把电路功能下载于该插件，而不需重做硬件开发便 可以获得具有不同逻辑功能的插件，并对电路进行实际地功能测试，因而节省了 许多的设计环节，缩短设计和调试的周期。该插件设计为单宽6 u 格式，由v m e 接 口，f p g a 部分和输入输出3 部分构成。输入输出具有多种电平转换的功能，能适 应不同的电平应用环境。 在该设计完成的多功能插件的上，论文作者进行了一系列的触发系统的模 块设计研究。文中详细介绍了其中的两个例子。第一个是简化主触发逻辑的设计。 该发计采用自顶向下的设计方法，整个电路分为输入信号延时、事例类型判断逻 辑、事例预定标和时序判断逻辑4 个部分。主触发逻辑在2 0 m 时钟下以流水线的 方式工作，保证没有死时间的产生。第二个例子是任意数字信号发生器的设计。 该信号发生器可以产生任意波型的数字脉冲信号，可以用于主触发和主漂移室寻 迹逻辑的调试与测试，为其它插件的调试创造条件。其工作时钟2 0 m ，其初始化通 过一系列的v m e 指令来加载，并具有软件启动，回读和检验比较的功能。 该插件研制成功为工程的预制研究和初步设计提供了极大的方便。同样的 设计思想可以直接移植到基于c a m a c 、v x i 、c o m p a c tp c i 的工程系统中去。 关键词：北京谱议，触发系统，v m e 总线，f p g a ，主触发逻辑 a b s t r a c t t h eu p g r a d i n go fe x is t i n gs p e c t r o m e t e ra tn a t i o n a ll a b o r a t o r ya t i n s t i t u t eo fh i g he n e r g yp h y s i c s 。b e i j i n g ( b e s i i i ) i sa p p r o v e da n dn o wt h e r e l a t i v er & da n dp r e l i m i n a r ys t u d ya r eu n d e r g o i n g t h et r i g g e rs y s t e mo f b e s i i ii so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r t so ft h er e a l t i m ed a t aa c q u i s i t i o n s y s t e mo fb e s l l l o fw h i c ht h ed e s i g ns c h e m em u s tb es t u d i e da n dt e s t e d b e f o r ef i n a ld e t e r m i n a t i o n u n d e rt h er e q u i r e m e n to ft h er e l e v e n ts t u d y ， t h er e s e a r c hg r o u pd e c i d e dt od e s i g nap r o g r a m m a b l em u l t i f u n c t i o n a lm o d u l e i nw es t a n d a r d w i t hh e l po ft h ep r o g r a m m a b i l i t yo ff p g a ，ad e s i g n e rc a n e a s ii yu s ee d at op r o g r a ma n dd o w n l o a dt h ef p g a ，a n dt h e nm a k et h er e a l t e s ta n df u n c t i o nc h e c k i n go nt h et e s tm o d u l e ，s a v i n gt h e1 0 n gt i m en e e d e d f o rp c bb o a r dd e s i g na n df a b r i c a t i o n t h i sm o d u l ei sd e s i g n e da ss i n g l e w i e t h6 uv m em o d u l e ，c o n s i s t i n gm a i n l yt h r e ep a r t s ：i n t e r f a c i n gw i t hv m e b u s ，i n p u ta n do u t p u ta n df p g aw h i c hc o n t a i n sf u n c t i o nc i r c u i t t h ei n p u t a n do u t p u tp a r tis d e s i g n e dt om e e tm u i t i v o l r a g e 1 e v e lr e q u i r e m e n t a f t e rf i n i s h e dt h ep r o t o t y p eo ft h i sp r o g r a m m a b i em o d u l e ，t h ea u t h o r h a st r i e dt oi m p l e m e n ts o m eo fm o d u l e st om i g h tb eu s e di nt h et r i g g e rs y s t e m o fw h i c ht w oa r ed e s c r i b e di nt h i sp a p e r t h ef i r s to n ei sai m p l e m e n t a t j o n o fas i m p l i f l e dd e s i g no fg l o b a ld e c i s i o n1 0 9 i c t h i s1 0 9 i cisd e s i g n e d c o n t a i n i n gi n p u ts i g n a d e l a y ， e v e n t t y p ec l a s s i f i c a t i o n ， e v e n t p r e s c a l i n ga n dt i m i n gl o g i ca n dw o r k si np i p e l i n em o d eu n d e rc o n t r o lo f 2 0 b t h zc l o c kw h i c he n s u r e sn od e a dt i m ee o n t r i b u t i o n t h es e c o n de x a m p l e isa i m p l e m e n t a t i o no fv e r s a t i l ed i g i t a lw a v e f o r m g e n e r a t o rr e v e i v e r ，w h i c h c a r lb eu s e da s am e a n st ot e s tt r a c k s e g m e n tf i n d i n gl o g i ca n dg l o b a l d e ( i s i o nl o g i c a n do t h e rl o g i c s t h i sm o d u l ew o r k sa l s ow i t hc l o c ko f2 0 m h z a n di t si n i t i a l iz a t i o n ，a c t i v a t i o n ，d a t ar e a d b a c ka n dd a t ac h e c k i n ga r e f e e liz e dw it h 、，m es o f t w a r ec o m m a n d s t h ep r o t o t y p eo ft h i sm o d u l ei s p r o v e dt ob eas u c c e s f u ld e s i g na n d p r u v i d e dau s e f u lw a yt ot e s to t h e rm o d u l e s t h em e t h o d o l o g yo fd e s i g nc a n a l s ob eu s e di no t h e rs y s t e m si i k ec 抽i a c ，v x ia n dc o m p a c tp c i k e yw o r d s ：b e s ，t r i g g e rs y s t e m ，v m e b u s ，f p g a ，g l o b a ld e c i s i o nl o g i c i i 第一章引言 1 1 物理背景 粒子物理是以物质的最小组元的性质及其相互作用规律作为研究对象的一门 前沿学科。多年来粒子物理学的发展给人们认识这个世界提供了一个全新的视野， 使人们对物质结构的了解进入到夸克层次，人类的认识有了一个新的飞跃。 粒二f 物理的基本理论是标准模型，它包括两方面的内容：一是有关电磁力和 弱力的统一理论，即格拉肖一温伯格一萨拉姆电弱统一理论；_ _ 二是揭示夸克内部 特性及其相互作用规律的量子色动力学( q c d ) 理论。虽然它是现在粒子物理学中 最成功的理论，但它无法确定其中作为基本物理量的一些模型参数，这些参数必 须由实验来确定。另外，标准模型作为一fl 理论，需要对物质世界作一些前瞧性 的预言，以利于人们更深入的了解这个世界，同时也可以通过对这些预言的验证 来检验理论的准确性。因此从实验方面来确定标准模型的基本参数和列标准模到 的预言作精确的检验是粒子物理学的重要课题。 粒子物理学研究的一个最重要的武器是粒子加速器。利用电磁场将带电粒r 束( 如电子、正电子、质子等) 加速到很高的能量与物质发生相互作用，以此形f 究物质内部的结构。加速器产生的束流的能量越高，波长越妇，就越能深入到物 质内部去获得更多的信息，这也是要求加速器的能量越来越高的原因。6 0 年代末 出现的对撞机，利用两束相对运动的粒f 束对撞，大大提高了对撞机的有效作用 能量，同时由于其它的一些新技术的应用，都使得对撞机在粒子物理研究中成为 一种占主导地位的研究工具。对撞机的一个特点是，其亮度强烈地依赖于工作能 量，在不同的能区各有在亮度上占领先地位的对撞机。f 1 前，世界：t t i 运行的 。 儿台对撞机，各自工作在不同的能区，柯着各臼的研究划象和f t 务，同时它们义 有分工与合作，旺相补充，共同促进着高能物理的发展。 北京正负电子对撞机( b e p c ) 卜1 9 8 8 年【o 月建成，i 司日、j 还建成r 大，钽粒r 探测器北京谱议( b e s ) “。b e p c 工作在3 s g e v 能区，虽然能鐾较低，f h 侄粲兮 克和t 轻子的研究方面具有独特的优势，它处在一系列共振区和产：，f ：阈( 捉1 i 某 种粒子刚能产生的能量值) 区，具有系统误差小、测量精度高的优点。t f ，物删 学家已利用b e p c b e s ，获得了一系列国际承认的物理结果，包括t 轻子质量世界 上最精确的测定，胶f 球候选者( 2 2 3 0 ) 新衰变道的发现利，( 17 1 0 ) 的自旋 宇称分析，t l s ( 2 s ) 衰变到矢量张量介子末态相对于j 、| ，的反常压制的首次观测 及v ( 2 s ) 、x c 粒子衰变的系统性研究，d ：衰变为叩末态分支比和赝标衰变常数，n - 的首次绝对测量等，对粒子物理的基本理论的精密检验和进一步的发展具有重要 意义”1 。对标准模型的检验作出重要的贡献。1 。 1 2 国内外高能物理实验现状 目前世界上的对撞机正朝着两个方向发展：一种是将能量提高，例如欧洲核 子中心( c e r n ) 的大型强子对撞l h c 的能量是1 4 t e v ，希望能发现更重的新粒子以 及在超高能区发现超出标准模型的突破口；另一种则是能量不变，但增加加速器 的亮度，提高探测器精度，往精密测量上发展。例如美国斯坦福直线加速器中，1 5 , ( s l a c ) 新建成的“b 介子工厂”。这类“工厂”的亮度要比正在运行的同类加速 器增加一百倍左右，同时探测器的指标也有很大的提高。 这些对撞机的显著特点就是亮度高，以l h c 为例”“i ，它的设计亮度为( 1 5 ) 1 0 “c m2 s 。，b e p c 的设计亮度为1 7 1 0 “c m2 s1 。所谓亮度是指单位时间、 单位反应截面下产生的某种粒子数日，亮度越高，则对撞产生的粒子反应事例率 越高；同时也意味着本底的事例率越高。另外这些对撞机的一个特点就是为了达 到高亮度而采用多束团和短对撞周期，l h c 的对撞周期只有2 5 n s 。 面对这些特点带来的高事例率、高通道数及高数据率，- 般的数据获取及处 理系统是无能为力的，必须采用新的计算机技术，l i ：o h 高速总线、高度并行处理 和多级缓冲存储技术，这是新代高能物理实验中计算机技术的基本点7 。f 面， 我们以l h c 上的谱议a t l a s 的数据获取和出来系统的框图为例】，如图1 1 所永， 来说明在现代高能物理实验中所采用的新的计算机技术和方法。 从图1 1 可看出，该数据获取及处理系统采用的是用多级方式处理数据流。 图的左边表示与触发判选系统相连，同时标有各级触发判选所要的i s , j - f i l ：图的右 边为通过各级触发的事例率和数据率；图的中间是数据的流程。触发判选系统足 i 普- i 2 中的快速实时事例选择和控制系统，只有通过触发判选的事例 能进入卜一 级的触发判选或被数据获取系统记录下来，供物理分析。 一次束团对撞后，来自各探测器的信号经过前端电子学处理。然后存入流水 线存储器，同时一部分信号送到第一级触发判选系统参加事例判选。流水线存储 2 1 w j - 以是模拟式的，也可以是数字式的。对，r - 后者一般都是用f a d c 进行a d 转换。 第一级触发刿选与束团对撞同步地处理，由于是流水线工作方式，对探测器不同 通道来的信号进行并行处理，因此不带来死时间。一般采用模拟处理器、脉动式 处理器、联想存储器器f p g a 等。 图lla l t a s 谱议数据获取及处理系统的原理框图 当事例通过第一级触发判选后，对应的数据就通过多路器( m u x ) 进入数字 式缓冲存储器，同时被用来进行细致的第二级触发判选，比如通过一些寻迹、能 萤沉积的选择，来进一步地排除本底。常见的处理器有r i s c 、d s p 、t r a n s p u t e r 等。 第二j 级判选由群阵( p r o c e s s o rf a r m ) 组成，完成一系列诸如事例重建、刻 度、分类及快速的物理分析等工作。通过第三级触发判选后，事例率降到l o 1 0 0 个秒，d 1 海量存储器记录数据，即使这样，数据率仍然达到1 0 1 0 0 m b s 。 从i ：i f l f 的简单叙述可见，现代的高能物理实验中的数据获取和处理是极其复 杂庞人的，新的计算机和电子技术已经被j “泛的使用，如可编程逻辑技术、神经 删络技术、并行处理技术、分布式计算、高速网络、网络开关等“。利用国内 现有的条件，进行这方面的研究，跟踪世界上先进的计算机技术，对于发展我国 的高能物理事业及工业技术的发展是十分重要及必要的。论文的实验工作就是在 现彳| 的汁算机和电子技术的基础上，了解国内外的高能物理实验技术现状，4 t 1 对 北京谱议触发系统的升级【，提供了个u j _ 实现快速开发的v m e 逻辑插件的设讨， 插件的设计基丁二现场可编程门阵列技术和高速v m e 总线”“。“，在这个插件的摹础 之上，针对b e s 的触发系统作了一系列的预研制研究，直接为新一代的北京谱议 的设计方案的确定提供了第一手的实验数据。下面的论文对整个实验研究工作作 详细的描述。第二章介绍现场可编程门阵列技术，是整个设计的基础。第三章对 插件的设计极其工作原理进行描述。第四章介绍了在这个插件基础上进行的触发 系统研究工作，包括主触发系统的设计验证和任意数字信号产生插件的设计与调 试。 第二章现场可编程门阵列( f p g a ) f p 6 a 技术正在高能物理实验领域被广泛的应用。插件的v m e 总线接口及逻 辑功能的实现都是在f p g a 的基础上完成的，因此在这一章中介绍f p g a 的历史， 特征及开发和工作原理，以便更好的了解研究所作的工作。 2 1f p g a 的发展、特征及应用前景“”“” 由于半导体技术的飞跃发展、数字系统应用基本经历了分立元件、小规模集 成电路( s s i ) 、中规模集成电路( m s i ) 和大规模集成电路( l s i ) 乃至超大规模集成电 路( v l s i ) 的应用过程，数字系统应用的基本特征乃由中小规模集成度的标准通用 集成电路向用户定制的专用集成电路( a s i c ) 过渡。这使得数字系统的设计越来越 体现出高的系统集成度、相对小的功耗的特点。但采用l s i v l 5 i 器件的专用电路 设计有其开发周期长、开发费用高、投资风险大的缺点，8 0 年代出现的一系列1 j 编程逻辑器件在一定程度上为数字系统的灵活设计提供了可能。但是，随着现代 数字系统设计的发展，p l d 器件在集成度、功耗、速度以及逻辑设计的灵活性卜均 不能满足现代数字系统的大容量、高速度的要求。f p g a ( f i e l dp r o g r a i l m a b eg a t e a r r a y ) 器件由此而生，它是一种新型的用户现场可编程的专用集成电路。 从a s i c 器件的发展来看，可分为以下四类：可编程逻辑器件( p l d ) 、州。现 场可编程门阵列( f p g a ) ，半定制门阵列专用集成电路，全定制专用集成电路。：【，f 实际的应用中，设计者主要根据实际的系统要求，选定一种类型的a s l c 技术，以 获得最佳的性能价格比。通常p l d 器件适用于小规模容量( 几十几百f j ) 的应删 场合，且不受需求量大小的限制。而f p g a 适合于小批量需求，大规模容量密度的 场合，门阵列适用于大批量需求，大规模容量密度的应用中，以求降低成本。全 定制集成电路只用于极大批量的生产，才能达到降低成本的目的。 f p g a 器件由美国x i l i n x 公司于1 9 8 5 年创造推出，它将l s l v i 。s i 阵列技 术的高逻辑密度和通用性与用户现场可编程部件的设计灵活结合起来，具仃f 列 优点： f p g a 的用户现场可编程的特性大大缩短了设计实现周期，适丁现代数7 系统设计要求。 f p g a 可提供比p l d 和e p l d 器件足够大的有效逻辑容量密度，不仪大夫减 少印制电路板的空间，大大降低系统功耗、而且大大提高了系统设计的 工艺可实现性和产品的可靠性。 f p g a 可以反复编程，重复使用、且可在开发系统中直接进行系统仿真、 没有工艺实现的损耗、成本远低于门阵列和全定制a s i c 。 正是由于f p g a 器件具有上述优点，它已在九十年代半导体集成电路工业中展 示了强大的生命力，有广泛的应用前景。 2 2s p a r t a n 系列f p g a n 劬 x i l i n x 公司作为世界上最大的f p g a 供应商其目前最具有代表性的f p g a 产品 有两类，一类是x c 4 0 0 0 s p a r t a n 系列，另一类是v i r e x s p a r t a n i i 系列。这两类 产品除了具有f p g a 的三种基本资源一可编程i l o 、可编程逻辑功能块乘j 可编程 布线等资源外，又具有片内r a m 的资源。x c 4 0 0 0 可以实现片内分布r a m ，而专fj 为实现可编程片上系统开发的v i r t e x 系列，片内分布r a m 和块r a m 都可以实现， 并具有实现片上系统所要求的其它性能，如时钟分配合多种接口特性。 s p a r t a n 系列f p g a 是x i l i n x 公司在x c 4 0 0 0 e 系列基础卜研制的高性能低成 本器件。主要特点如下： 1 第一个可替代a s i c ，含片内r a m 且人量生产的f p g a 2 ，最多1 8 6 2 个逻辑单元或4 0 0 0 0 个系统门 3 最高频率达8 0 m h z ( 内部1 5 0 m h z ) ，快速进位逻辑 4 支持i e e e t1 4 91 边界扫描逻辑 5 可全部回读校验程序，可观察内部节点状态 6 编程次数不限，性能价格比高 表21 列出了s p a r t a n 系列f p g a 的各类型号及参数。 6 表2 1s p a r t a n 和s p a r t a n x l 系列f p g a l _ y p i c a lg a t e n u m b e r m a i l o g i c s y s t e m r a n g e ( l o g i c o fm a x a n d r a m pc l b1 b t a i f l i p - f i o a v a i l a b l e g a t e s d e v i c ec e l l sm a t r i xc l b s p s u s e r i o x c s 0 5 x c s 0 5 x l2 3 85 ，0 0 02 ，9 0 0 5 ，0 0 01 0 x 1 01 0 03 6 0 7 7 x c s i o x c s l o x l4 6 61 0 ，0 0 0 3 ，0 0 0 一1 0 ，0 0 01 4 x 1 4 1 9 66 1 61 1 2 x c $ 2 0 x c $ 2 0 x l9 5 02 0 0 0 0 7 ，0 0 0 2 0 ，0 0 02 0 x 2 0 4 0 0 1 ，1 2 0 1 6 0 x c $ 3 0 x c $ 3 0 x l1 3 6 83 0 ，0 0 01 0 0 0 0 - 3 0 0 0 02 4 x 2 45 7 6 1 ，5 3 6 1 9 2 x c $ 4 0 x c $ 4 0 x l1 8 6 24 0 0 0 0 1 3 ，0 0 0 - 4 0 ，0 0 02 8 x 2 87 8 42 0 1 62 0 5 m a xv a l u e so ft y p i c a lg a t er a n g ei n c l u d e2 0 - 3 0 o fc l b su s e da sr a m 本论文的所设计的电路以s p a r t a n 系列的f p g a 作为主体，下面以该系列的j “： 铺为例对f p g a 器件的基本结构和原理作简要描述。 2 2 1f p g a 的基本结构 f p g a 具有掩模可编程门阵列的通用结构，它由逻辑功能块排成阵列组成，并 由可编程互连资源连接这 些逻辑功能块来实现不同的设计。器件一般由三种可编程电路和个存放编 程数据的静态存储器s r a m ( s t a t i c r a m ) 组成。这三种可编程电路是：可编程逻 辑块c l b ( c o n f i g u r a b l el o g i cb l o c k ) ；呵编程输入输出模块i o b ( i n p u t o u t p u t b l o c k ) ：可编程内部连线资源i r ( i n t e r c o n n e c tr e s o u r s e ) 。f p g a 的基本结构如 图2 1 所示，可编程逻辑块( c l b ) 是实现逻辑功能的基本单元，它通常规则地排 列成一个阵列，散布于整个芯片；可编程输x 输出模块( 1 0 b ) 主要完成芯片i l 的逻辑与外部封装脚的接e l ，它通常排列在芯片的四周；可编程内部连线资源( i r ) 包括各种长度的连线线段和一些j r 编程连接开关，它们将各个c l b 之间或( 、i 。b 、 0 1 3 之问以及l o b 之间连接起来，构成特定电路的功能。 f p g a 的功能山逻辑结构的配置数据决定。1 二作时，这些配置数据存放托”内 的s r a m 上。图2 2 为片内s r a m 的基本单元结构，它由两o m o s 反相器和个用来 读写的m o s 传输开关组成，这种存储器结构具有高可靠性、高抗干扰性和综合可 测试性的特点，确保了各种环境下的加载的可靠性。基于s r a m 的f p g a 器件，在 ： 作前需要从芯片的外部加载数据，配置的数据可以存储在片外的e p r o m 或其他 的存储体上。用户可以控制加载过程，在现场修改器件的逻辑功能，即所谓的现 场可编程。 口 i n t e r c o n n e c t l o g i cb l o c k s 图2 1f p g a 结构原理图 f k a d o r w d m 图2 2s r a m 基本单元结构 2 2 2 f p g a 的j t a g 接口 g o n f b u m b n c o n t 叮l 传统的对电子设备的检测一商用所谓的针床”( b e do fn a il ) 的方法。e “ 丁技术发展，器件的引脚越来越密，装配方法也越来越复杂，如表面贴装技术， 多层布线电路板的应用等，使得这种检测方法不能适应电子设备检测的需要。为 ，解决这个问题，i e e e 颁布了边界扫描标准i e e e l l 4 9 1 ，即j t a g ( j o i n tt e s t 5q0 0 0 i 0 0 a 0 曲0 0 6 0 0 0 0 曲o o o o o o 尊0 曲o o o 0 0 o 嚣0 6 0 0 0 o 嚣备曲606000口0 帕ofoebo口00 神鱼o矗oo o 尊0 曲6 0 、一o o o 尊分 a c t i o ng r o u p ) 标准，可进行下列检测： 1 对集成电路互相连接的板级检测： 2 对集成电路自身的检测； 3 在线观测或改变器件的状态。 检测逻辑主要由边界扫描寄存器及控制逻辑组成通过一个称为测试人口 ( t e s ta c c e s sp o r t - - t a p ) 的部分对这个寄存器和功能块进行访问。每个符合j t a o 标准的器件都有一个t a p ，t a p 在器件外的引脚为测试时钟( t c k ) 、测试模式选择 ( t m s ) 、测试数据输入( t d i ) 和测试数据输出( t d o ) 。在元件安装在电路板，| 二时， 将各个元件的t a p 连接起来( 可以有多种连接方法) 组成测试总线( t e s tb u s ) 。 测试总线由计算机控制，用以完成检测功能。 进行边界扫描操作时，由一个测试入口控制器( t a pc o n t r o l l e r ) 控制。 t a pc o n t r o ll e r 是一个由1 6 个状态组成的状态机，这个状态机通过t m s 进行选择 控制，完成边界扫描功能。图2 3 给出了i e e e l l 4 9 1 规定的状态转换示意图。状 态机以t c k 为时钟进行工作。 图2 3j t a g 定义的状态转换图 2 s p a r t a n 系列f p g a 的j t a g 接口 s p a r t a n 系列的f p g a 设计了j t a g 接口“，可以完成i e e e l l 4 9 1 定义的 b y p a s s 、p r e l o a d s a m p l e 和e x t e s t 边界扫描指令。图2 4 给出了器件的边界 捕 逻辑的示意图。 9 在f p g a 设计时可以选择是否包含边界扫描的功能。但选择了边界扫描功能 时，三个特定的引脚( t d i 、t m s 、t c k ) 作为边界扫描的输入，t d o 作为输出。若 要在f p g a 中包含边界扫描功能，用原理图输入时应加入库元件b s c a n ( 图2 5 ) ， 用v h d l 活v e r l o g - - h d l 输入时在描述时包含此库元件。在我们设计的逻辑插件 设计了j t a g 接口，必要时可以对电路进行在系统测试，而且j t a g 口还可以用来 作为f p g a 的配置端口。 甲甲早早甲 一十h 十h一翌一一一一一一一 。 邕聊舯 ： 乒一 一 p i - 】 亭。 目 邕剁 _ l l 口 i划1 li 滕羔h 7 ， i 卜 t 飞 产 四 删 市1 一卜 l 1 卟i 。k 划 1i 一， ll “mil _ l ，l i ii h f i 图2 4 边界扫描逻辑示意图 图2 5 边界扫描原理图库元件 2 3 可编程逻辑器件的设计流程m m 。】 可编程逻辑器件的设计是指利用开发软件和编程工具对器件进行开发的过 程。高密度可编程器件的设计流程如图2 6 所示，它包括设计准备、设计输入、设 计处理和器件编程以及相应的功能仿真( 前仿真) 、时序仿真( 后仿真) 乖1 器件测 1 0 试三个设计验证过程。 所有的x i l i n x 开发系统软件x a c t 是集成在x i l i n xd e s i g nm a n a g e r ( x d m ) 的环境之下，以通常的用户接口提供给设计者。x i l i n x 的可编程a s i c 设计的基本 方法包括的相关步骤如下： 1 ) 设计准备：在对可编程器件的芯片设计之前，进行方案论证、系统设计和器件 选择等设计准备工作。设计者要根据任务要求，如系统所完成的功能机复杂程度， 对工作速度和器件本身的资源、成本及连线的可布性等方面进行权衡，选择合适 的设计方案和合适的器件类型。 图2 6 高密度可编程逻辑器件的设计流程 2 ) 设计输入：设计者将所设计的系统或电路以开发软件要求的某种形式表示出来， 并送入计算机的过程。x i l i n x 开发系统通常支持的输入方式有原理图输入万j 、 硬件描述语言( 包括v h d l 、v e r i l o g 和a b e l ) 以及有限状态机的输入。 3 ) 设计实现：这是器件设计中的核心环节。开发环境的编译软件通过对设汁优化 综合、分割、布局布线，可以将设计输入阶段建立的设计文件转换为j c a 殳竹格 式。如何可以从l c a 文件建立位流( b i t s t r e a m ) 文件，并土土写到p r o m 或e p r o m - h 以便接下来对x ili n x 器件进行编程。 4 ) 设计验证：使用仿真工具、j t a g 下载电缆进行设计验证，确保设以恰、的功 能和时序工作。其包括实际电路上验证和仿真。仿真就是在开发过程中应j 钳j 的软件包对设计做完整性的测试，仿真能在最坏的工作情况下检查设计的逻辑功 能，也能在设计实现之前检查设计的逻辑功能。在设计实现过程中进行的仿真为 功能仿真，设计之后为时序仿真，考虑布局布线等产生的延时对设计的影响。 整个设计的流程是一个输入、实现、验证的递归过程，直到实现设计的i f 确与完整。x a c t 基本开发环境能够做到使整个设计流程快速的递归，并且由于可 编程器件可以无限次的编程，因此在电路级调试是不报废器件。 第四章通用的v m e 逻辑插件的研制 3 1 设计思想的提出 随着高能物理实验向高能量高精度方向的发展，现代高能物理实验中的数 据获取和控制系统的规模变得越来越庞大，各类先进的技术被一泛地得到采用。 如何让整个系统能相互协调、统一的工作并确保采集数据的可靠和准确性，必须 有一个标准化，通用总线系统来支持。 现有的北京谱议的数据采集和控制系统是构建在c a 姒c 总线系统的基础之 上的，但由于c a m a c 系统本身的一些限制”，如总线的响周期( 1 1s 数量级) 系 统的可扩展性等原因，使其渐渐成为实验系统进一步改进和升级的瓶颈。v m e ( v e r s am o d e le u r o p e ) 总线“作为国际上最早的开放式3 2 位标准总线，它t 以 支持1 6 、2 4 、3 2 位寻址方式，支持多级总线仲裁、多级中断和异步数据传输。由 于其高可靠性和实时性等特征而广泛应用于航空航天、电信、计算机电话、实时 机器控制、工业自动化、实时数据采集、测量及仪器仪表、军事系统或其它一监 需要高速运算、模块化及牢固封装设计和长期生产支持的应用。v m e 系统诒：8 0 年 代即进入我国，但由于系统的价格较为昂贵，一直没有得到推广。近几年来，一方面 由于国家经济实力的提高，另一方面由 二人们对高性能实时系统有了进一步的认 识和需求，因此v m e 系统在国防、科研和工= 业领域中的应用开始得到了越来越多的 关注。到目前为止世界上绝大多数的高能探测器的电子学系统都是构建于v m e 总 线系统之上。 从b e s i i 到b e s l l i 的升级，由丁i 未来系统的事例率的大幅度的提高，原有 的系统将不能再使用，所有的数据采集和控制系统都将重新研制。整个系统将构 建在v m e 总线平台之上，并采用类似于第一章描述的a i ，t a s 谱议的流水线的l ：作 方式。因此，研究如何在v m e 的基础 构建系统是整个实验升级工程的重要环“。 从现有的b e s ii 的设计方案看，我们将需要大量的不同功能的v m e 插件来 组建整个系统。这些我们急需的插件的获得t 要是通过两条途径：一是直接向囤外 定购通用功能的插件，f = 【定货周期往往很长( 2 3 个，j ) 并 1 价格非常的昂贵， 可定购的插件的种类也要受到一定条件的制约：第：，当然我们可以自己没汁需 要的插件( 这方面的1 二作现在已经开展) 。从已往的开发经验来看，一个普通的v m e 插件的从设计到调试实现一般需要3 个月左右，并且还存在很大的风险。这此都 对现阶段的系统的设计和可行性的验证形成了一个瓶颈。 利用现场可编程门阵列( f p g a ) 的灵活性，我们针对系统中的逻辑插件( 如 触发判选中的反符合插件，定标器插件和时标产生器插件等) 提出了一个整体解 决方案。即设计了一个通用功能的基于v m e 总线的逻辑插件，这样实验研究人员 可以直接使用此插件进行逻辑功能开发，避免烦琐的硬件设计环节，使用者仅仅 运用e d a 软件工具，甚至在不了解v m e 系统的时序的情况下照样可以进行v m e 系 统的开发。 作为一个通用性的逻辑插件，它本身要具有实现尽可能多的逻辑功能的能 力。针对现在的b e s 触发电子学的实际需求和目前插件的使用情况，插件至少可 以完成以下的逻辑功能的设计： 超过4 通道n i m 电平输入的高速可编程计数器 至少6 路n i m 电平可编程门和脉冲产生器 多路可编程分配器 表3 1 所作部分实验结果 m o d u l eb a s ea d d r e s sf u n e t i o nr ，w d e s c r e p t i o n o x 0 0 ，0 x 0 2 ， r e a drr e a dc o u n ti nc h o 一3 4 c h1 6 b i t0 x 0 4 ，0 x 0 6 s c a l e ro x 0 8s t a r ts t a r tc o u n t i n g o x o a s t o ps t o pc o u n t i n g 0 x 0 cr e s e tr e s e ta l lc h a n n e l s 0 x 0 0r e a drr e a d 1 6 b i tr e a do x 0 2s t r o b es t r o b ei n p u ti n t or e g i s t e r a n dw r i t e0 x 0 8 w r i t eww r i t eo u t p u tr e g i s t e r r e g i s t e r0 x 0 ap u l s es t i m u l a t ep u l s e o x o cc s rr wc o n t r o i s t a t u sr e g i s t e r ： b i t0 i n p u ts t r o b e t r a n s p a r e n ts e l e c t b i t1i n t e x ts t r o b es o u r c es e l e c t b i t4 一o u t p u tp u l s e d cs e l e c t b i t5i n t e x ts t i m u l a t es o u r c es e l e c t 0 x 0 0 ，0 x 0 2 ，d e l a y r n v d e l a yv a l u eo f c h0 3 6 c hg a t e0 x 0 4 ，0 x 0 6 g e n e r a t o ro x 0 8 ，0 x 0 aw i d t hr ww l d t hv a l h eo fc h0 3 0 x 0 c 0 x 0 e 0 x 1 0 s t e p r w s t e pp r e s c a l i n g 02 5 n s 1 5 0 n s ，21 0 0 n s ，3 2 0 0 n s ， 45 0 0 n s ，5 一l u s 6 2 u s ，7 5 u s 具有多种控制的高速1 6 b i t 读1 6 b i t 写寄存器 如何形式的最多3 2 位信号的组合或时序逻辑 使用专用子板作为校验脉冲发生器 以上功能的多种组合 表3 1 给出了部分的实验结果 3 2 插件的结构和设计介绍 插件分模块设计，整个插件分为三个部分：v m e 接口部分，用户定义逻辑部 分及输入输出信号通道。图3 1 给出了插件的结构框图。 图3 1 可编程插件的结构框图 图3 2 给出了插件的三维效果图。 图3 2 插件的视觉效果图 适应目前触发电子学的读出系统要求，v m e 接口设计为a 1 6 d 1 6s l a v e 工作 模式，并保留v m e 中断地功能。接口的大部分逻辑在一片f p g a ( s p a r t a n 系列： x c s 0 5 ) 上完成。使接口工作的可靠性得到了提高，甚至必要时对p r o m 重新编程 实现插件的“升级”。 用户定义逻辑部分包括f p g a 、j t a g 插座、p r o m 和晶振。考虑到插件众多的 输入输出信号，f p g a 至少需要9 6 个i o 管脚。为此选用表面贴封装3 3 v 供电的 1 6 x i l i n xs p a r t a nx c s 2 0 x l - - t q l 4 4 芯片，该芯片的规模为2 0 0 0 0 门，完全能够满足 普通用户的设计需求。 输入输出部分包括通向面板的4 个输入l e m o 座、7 个输出l e m o 座、4 个l e d 显示、两个3 4 针的扁平电缆插座及n i m t t l 间电平转换电路和子板( p e r s o n a l i t y c a r d ) 插座。子板安在靠近f p g a 的i d c 2 6 插座和i d c 3 4 插座之间的位置上。i d c 3 4 直接和通向面板的扁平电缆座相连。如果输入输出是t t l 电平，则子板直接设计 成1 6 根直通线( 低速度时) ：如果扁平电缆的输入输出是其它电平( 如l v d s ，r s 4 8 5 、 e c l 等) ，则在子板上放电平转换及成形电路( 表3 2 ) 。甚至还可以在子板上设计 其它模拟功能的电路以组成一个数模混和系统。 外信号电平|所用i c l v d s r s 4 8 5 e c l 直通 7 4 。s 2 4 3e t c d s 9 0 c 0 3 2 、s n 7 5 l v d s 3 8 6 d $ 9 0 c 0 3l 、s n 7 5 l v d s 3 8 7 d s 9 6 f l7 5 d s 9 6 f l7 4 d s 9 6 1 7 6 1 0 1 2 5 l o l 2 4 表3 2 予板使用的接口电平标准 3 2 1 插件的1 岫接口电路 v m e b u s 是一种非复用的3 2 位异步总线。非复用是指它的地址和数据分别有 各自的信号线：异步则指它的总线上信号的定时关系是由总线延迟和握手信号柬 确定，而不是靠系统时钟来协调。v m e b u s 模块的尺i j 有多种规格，其。弘标准双高( 6 u ) 是最基本的和最常用的尺寸。使用标准1 9 英、j 机箱的v m e 系统最多可插2 1 块v m e 模块，但是通常所见的都是2 0 槽机箱，空出一个插槽给总线终端器。 j 。v m e b u s 包括两个3 列9 6 插针的连接器，在模块上的插头连接器为p l 平p 2 ，它们在f 扳i 一 对应为插座连接器j 1 和j 2