一种基于寄存器基器件的VXI总线接口设计

摘  要： 针对目前VXI接口电路模块需要使用大量芯片、接口响应速度慢的问题，提出了一种基于寄存器基器件的VXI总线接口设计方案，并对该方案功能进行了详细的分析。最后在具体应用中与早期的方案进行了性能对比，对比结果显示本方案具有明显的优势，可大大提高接口模块的集成度和速度，并解决了基于VXI接口电路的高速数据存储问题。
关键词： 寄存器基；接口电路；VXI总线；IT9010；双口RAM
       VXI总线是一种基于VME总线的模块化仪器结构标准，它是VME总线在仪器领域里的扩展，对所有厂家开放并兼容现有的工业标准。随着现代电子技术在武器系统中的应用，电子装备在品种数量、技术复杂程度和保障模式等方面都有了许多新的变化，专用的测试设备往往功能单一、效费比低而难以满足军用测控系统的要求。VXI总线的出现为研制多功能通用测试系统提供了有利条件。
     基于VXI总线的自动测试系统中，接口电路的主要作用是完成系统模块与VXI零槽控制器之间的通信，接收地址信息、数据信息和各种控制命令，并向上位机传送系统模块信息。传统的设计方案由于受芯片功能限制，大多存在响应速度慢、存储量小、可靠性差、使用不灵活及功耗大等缺点，不能完全发挥VXI总线的性能优势。
     为了解决传统VXI接口电路模块的集成度、速度以及灵活性等问题，本文提出了一种基于寄存器基器件的VXI总线接口电路设计方案。
1 VXI总线接口电路设计
     本方案的特点即是满足大量数据产生速度快、实时性要求高的应用。为此，系统采用了高性能的DSP（数字信号处理器），同时采用双口RAM来实现上位机与DSP间的数据传递。寄存器基接口逻辑部分主要完成对VXI总线与本地总线的接口转换、响应VXI总线的上电逻辑时序和读写操作等功能。为了达到设计目标，在本方案设计时又着重考虑了以下几方面难点问题：
     (1)由于主控计算机执行速度很快，再加上VXI总线数据传输速率也很高，因此指令译码、接口电路应尽量简单以提高执行速度；
     (2)要有足够大的存储空间以接收上位机发送来的控制数据，当上位机有控制数据发来时，能通知本地CPU及时读取，并能防止因本地CPU响应不及时而漏读数据；
     (3)使用双端口RAM时，如果两个端口同时访问同一存储单元而产生冲突时，必须有仲裁电路；
     (4)必须符合VXI总线规范设置配置寄存器，设置模块的逻辑地址。A24寻址时还需确定偏移寄存器中各位的值。
1.1系统框图
     基于以上考虑，设计了图1所示的VXI总线接口电路框图。接口电路主要由寄存器基接口逻辑和实时存储器(双口RAM)组成。其中，寄存器基接口逻辑的设计中采用Interface Technology公司研制的VXI总线寄存器基接口器件IT9010来实现寄存器基接口逻辑，既解决了系统模块物理空间紧张的问题，又能提高接口逻辑电路的可靠性。
   
   1.2 IT9010
     IT9010是专用VXI总线接口芯片，具有如下特点：
     (1)内部集成了VXI总线所需的寄存器，它们分别是配置寄存器、STATUS/ID寄存器、仪器类型寄存器、偏移寄存器、STATUS/CON寄存器、ID寄存器，因此IT9010也被称为寄存器基的接口芯片；
     (2)具有VXI总线地址译码功能；
     (3)可对VXI总线和本地总线(LocalBUS)进行仲裁；
     (4)具有译码所有位VXI总线地址(A1～A31)的能力，因此用户既可以用于24位地址(A24)设备的接口，也可以用于32位地址(A32)设备的接口；另外，IT9010还可通过外部拨码开关设置ID寄存器和仪器类型寄存器；通过微处理器对IT9010进行编程等。
     这些功能特性使其与VXI总线接口变得简单方便，即使用最少的外围电路并且在PCB板上占据最小的空间。同时该器件仅需要4片廉价的支持芯片来驱动VXI总线大电流背板信号，允许设计者以最少的硬件、最低的功耗和最少的设计工时实现一个基于寄存器基的VXI总线接口，大大降低了接口电路的复杂性[1]。IT9010集成VXI总线所需的寄存器、VXI总线地址译码、VXI总线/本地总线仲裁于单一芯片中。MODID支持功能允许芯片能实现静态或动态联络基地址配置。IT9010还有31位VXI总线地址线的译码能力，可以允许使用者将芯片配置成一个A24/A32地址空间的器件[2]。一个芯片内的偏移寄存器能由器件类型配置和所需的内存空间总和来决定自动生成、译码和换算VXI总线的地址线。
1.3 系统寻址方式
     为了有足够大的存储空间且方便寻址，VXI总线采用A16/A24寻址。A16寻址时配置寄存器的基地址由人工设置，采用SW DIP-8即可实现[3]。A24寄存器的基地址由系统资源管理器在初始化时写入。配置寄存器中的ID寄存器和器件类别寄存器由IT9010的IDISEL*和DTISEL*初始化输出一个已知值进行初始化。
1.4 实时存储器
     实时存储器的设计采用Xilinx公司的Spartan-6 FPGA器件，在其内部设计实现双口RAM功能。其最大优点是有两套独立的地址线、数据线和控制线，使得VXI总线和本地CPU可对其同时访问，这样可大大简化电路。双口RAM的冲突仲裁问题，可利用双口RAM本身的BUSY线来解决，双口RAM的BUSY逻辑如图2所示，当VXI总线和本地CPU同时访问其中一个存储单元时，则BUSY线变低的一端读、写无效[4]。本设计中，将BUSYR线作为本地CPU机器时钟等待的控制信号。当VXI总线及本地CPU同时访问同一个存储器单元造成冲突时，如果BUSYR变低，则该信号将控制DSP进入等待状态直到BUSYR信号变为无效为止。而在VXI总线接口电路部分，用BUSYL线参与DTACK的逻辑控制，使VXI总线一方对双端口RAM访问也能正确可靠。