程 鵬，苗克堅

（西北工業(yè)大學 計算機學院，陜西 西安 710072）

隨著航空電子系統(tǒng)的發(fā)展，多路數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)總線在航空電子系統(tǒng)中起著越來越重要的作用，其主要特點是集中控制、實時性要求高、分布處理[1]。1553B總線以其具有較高的可靠性和靈活性，廣泛應用于軍事、航空航天系統(tǒng)[2]。傳統(tǒng)的1553B測試設(shè)備采用普通計算機或工控機作為測試平臺，通過PCI總線與被測設(shè)備通信，這對測試設(shè)備的攜帶造成極大不便。本文所闡述的測試系統(tǒng)以ARM9作為中央處理器，以DDC的BU-64843T7作為1553B協(xié)議芯片，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的小型化和便攜化，應用FPGA實現(xiàn)ARM時序與1553B時序的轉(zhuǎn)換，并采用Linux操作系統(tǒng)以確保系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

1 ARM與FPGA數(shù)據(jù)通信接口設(shè)計

1.1 系統(tǒng)硬件介紹

該系統(tǒng)硬件由LPC3250核心板、外擴接口電路、FPGA和1553B協(xié)議芯片組成組成。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 System architecture

LPC3250微處理器面向低功耗、高性能的應用，采用ARM926EJ-SCPU內(nèi)核，實現(xiàn)5級流水處理并采用哈佛結(jié)構(gòu)，可工作在266 MHz的頻率下，數(shù)據(jù)處理能力強大。

本系統(tǒng)外擴USB、RS232和網(wǎng)絡(luò)接口，用于操作系統(tǒng)的燒寫和驅(qū)動程序、應用程序的調(diào)試，并且配備實時時鐘，可以掉電保持。為增加其可靠性，本系統(tǒng)在多處增加ESD芯片，以增強系統(tǒng)的抗靜電能力。

FPGA采用Altera公司的Cyclone I系列的EP1C6Q240C8芯片，該系列芯片具有20 060個邏輯單元以及288 kb RAM，支持3.3-V LVTTL/CMOSIO標準，可直接與ARM通信，無需進行電平轉(zhuǎn)換。

1553B協(xié)議芯片選擇DDC公司的BU-64843T8芯片。該芯片是世界上第一個將1553B協(xié)議芯片和隔離變壓器集成到一體的芯片。因此，在布PCB時，會節(jié)省很大空間，從而使系統(tǒng)小巧，方便攜帶。

1.2 接口電路設(shè)計

LPC3250包括3個外部存儲器接口，分別是NANDFlash控制器、Secure Digital控制器和外部存儲器控制器（External memory controller，簡稱為EMC）。EMC提供了系統(tǒng)總線與片外存儲設(shè)備之間的接口功能，可實現(xiàn)與SDRAM、DDR SDRAM和SRAM設(shè)備的通信。該系統(tǒng)采用EMC的靜態(tài)RAM接口與FPGA進行通信，該接口具有時序操作簡單，接口速度快等特點。利用FPGA模擬靜態(tài)RAM，并進行時序轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)ARM對1553B芯片的訪問。圖2為ARM與FPGA的接口電路圖，由于1553B芯片內(nèi)部RAM為4K*16bit，因此數(shù)據(jù)線選用16位，地址線選用12位。通過EMC靜態(tài)存儲器控制器的配置寄存器，可將數(shù)據(jù)總線分別設(shè)置為8位、16位、32位。該系統(tǒng)需將配置寄存器的低兩位設(shè)置為01，即16位總線。其他控制信號說明見表1所示。

圖2 ARM與FPGA接口電路Fig.2 Interface circuit of ARM and FPGA

表1 控制信號說明Tab.1 Control signals introduction

1.3 FPGA邏輯設(shè)計

若想成功訪問1553B設(shè)備，必須嚴格按照1553B時序進行操作，然而EMC的時序與1553B的時序差異很大，因此需要進行時序轉(zhuǎn)換，這通過一片F(xiàn)PGA來實現(xiàn)。BU-64843T8的控制信號主要包括，TRANSPARENT/BUFFERED*、STRBD*、SELECT*、RD/WR*、MEM/REG*、IOEN*、READYD*、ADDR_LAT/MEMOE*，RT_AD_LAT*，INT* 等信號。

TRANSPARENT/BUFFERED*信號用于設(shè)定芯片工作在透明模式還是緩沖模式，該系統(tǒng)的1553B不需外擴存儲器，工作在緩沖模式下即可，因此MEMOE*等信號可以不做考慮；STRBD*和SELECT*可接到一起，作為芯片的片選信號；RD/WR*為讀寫信號；MEM/REG*用來區(qū)分訪問內(nèi)部4K存儲器資源還是寄存器資源；IOEN*有效時，標志芯片正在處理外部的訪問；READYD*信號在本系統(tǒng)中十分重要，當ARM寫時，READYD*有效表示數(shù)據(jù)成功寫入芯片中，當ARM讀時，READYD*有效表示數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)有效，可以使用；ADDR_LAT為地址鎖存信號，對于總線未復用的處理器，該信號置為高；RT_AD_LAT*信號為RT地址鎖存信號，該信號出現(xiàn)上升沿，即可將RT地址上的數(shù)據(jù)鎖存到芯片內(nèi)部，因此RT地址無需一直保持著。INT*信號用于中斷ARM，該信號經(jīng)過FPGA與ARM的GPIO引腳相連 ，相應的GPIO引腳被配置為外部中斷引腳。

FPGA的邏輯設(shè)計采用鎖存的方式，即所有的地址信號、數(shù)據(jù)信號、讀寫、片選、EME/REG*信號通過鎖存器直接打到總線上，這些信號在ARM訪問期間一直有效。因此ARM需要進行多次寫操作：先把要寫的數(shù)據(jù)送出，再把要訪問的地址和控制信息送出，之后循環(huán)讀取READYD*信號，直到其有效，再進行下一次讀寫操作。相關(guān)的VHDL代碼如下：

PROCESS(RST,CONTR_WORD_LATCH)--鎖存控制和地址信號

BEGIN

IF RST='0'THEN

CONTR_REG1＜=X"0002";

ELSIF CONTR_WORD_LATCH='1'THEN

CONTR_REG1＜=BD;

END IF;

END PROCESS;

PROCESS(RST,WRITE_DATA_LATCH)--鎖存數(shù)據(jù)信號

BEGIN

IF RST='0'THEN

WRITE_DATA_REG＜=X"0000";

ELSIF WRITE_DATA_LATCH='1'THEN

WRITE_DATA_REG＜=BD;

END IF;

END PROCESS;

A_6484(11 downto 0)＜=CONTR_REG1(15 downto 4);--

將地址送到BU-64843T8地址線

MEM_REG＜=CONTR_REG1(3); --

將控制信號送到BU-64843T8

RD_WR＜=CONTR_REG1(2);

STRBD＜=CONTR_REG1(1);

2 1553B驅(qū)動程序的開發(fā)原理與實現(xiàn)

2.1 文件操作接口

設(shè)備驅(qū)動程序在Linux內(nèi)核中扮演著特殊的角色。它們是獨立的模塊，使某個特定的硬件響應一個定義良好的內(nèi)部編程接口，用戶的操作通過一組標準化的調(diào)用執(zhí)行，而這些調(diào)用獨立于特定的驅(qū)動程序。將這些調(diào)用映射到作用于實際硬件的設(shè)備特有操作上，則是設(shè)備驅(qū)動程序的任務(wù)。系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖Fig.3 System software architecture diagram

Linux驅(qū)動程序支持3種類型的設(shè)備：字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。字符設(shè)備是個能夠像字節(jié)流一樣被訪問的設(shè)備。字符設(shè)備驅(qū)動程序通常要實現(xiàn)open、close、read、write系統(tǒng)調(diào)用。本系統(tǒng)的1553B設(shè)備屬于字符設(shè)備，它的驅(qū)動程序主要包括以下幾個模塊：初始化模塊、打開關(guān)閉模塊、讀寫模塊、中斷處理模塊。

驅(qū)動程序與應用程序的通信主要通過系統(tǒng)函數(shù)調(diào)用，Linux為所有設(shè)備文件提供統(tǒng)一的操作函數(shù)接口，我們的驅(qū)動程序中只需實現(xiàn)struct file_operations中相應的函數(shù)即可，主要包括 ioctl、read、write、open、release、fasync 函數(shù)。 具體 C語言代碼如下所示：

static const struct file_operations xc1553_fops=

{

.owner =THIS_MODULE,

.ioctl=xc1553_ioctl,//用于自定義IO操作

.open=xc1553_open,//用于響應文件系統(tǒng)的open操作

.write=xc1553_write,//實現(xiàn)寫功能

.read=xc1553_read,//實現(xiàn)讀功能

.release=xc1553_release,//用于響應文件系統(tǒng)的close操作

.fasync=xc1553_fasync,//用于實現(xiàn)異步通知

};

當用戶加載驅(qū)動模塊時，一系列初始化工作在static int__init xc1553_init(void)函數(shù)中完成，包括設(shè)備注冊，物理地址到虛擬地址的映射，EMC模式的配置，中斷處理函數(shù)的注冊。

當用戶卸載驅(qū)動模塊時，需要在static void__exit xc1553_exit(void)函數(shù)中進行驅(qū)動模塊和設(shè)備的卸載，以及中斷號的釋放。

2.2 中斷處理模塊的實現(xiàn)

當1553B產(chǎn)生中斷時，由xc1553_init函數(shù)中注冊的中斷處理函數(shù)進行處理，并且通知上層應用程序進行讀寫操作。驅(qū)動程序與應用程序的通信通過異步通知的方式實現(xiàn)。為了實現(xiàn)異步通知，在驅(qū)動程序中需要實現(xiàn)int fasync_helper（int fd,struct file*filp,int mode,struct fasync_struct**fa）和 void kill_fasync(struct fasync_struct**fa,int sig,int band)函數(shù)。

fasync_helper函數(shù)在xc1553_fasync中實現(xiàn)，作用是為當前進程創(chuàng)建一個fasync_struct結(jié)構(gòu)體，然后掛入目標設(shè)備的fasync隊列，最后在設(shè)備驅(qū)動的中斷處理程序中，使用kill_fasync函數(shù)向該隊列發(fā)送信號，通知上層應用程序。

xc1553_fasync函數(shù)實現(xiàn)如下：

static int xc1553_fasync(int fd,struct file*filp,int on)

{

int retval;

retval=fasync_helper(fd,filp,on,&fasync_queue_1553);

if(retval＜0)

{

printk("xc1553_fasync"DEV_NAME"!---failed ");

return retval;

}

else

{

printk("xc1553_fasync"DEV_NAME"!---success ");

}

return 0;

}

中斷處理函數(shù)實現(xiàn)如下：

static irqreturn_t xc1553_interrupt(int irq,void*dev_id,struct pt_regs*regs)

{

…

if(fasync_queue_1553)

{

//向進程隊列發(fā)送SIGIO信號

kill_fasync(&fasync_queue_1553,SIGIO,POLL_IN);

printk("success kill fasync! !");

}

else

{

printk("fasync queue is null! ");

}

sic2_er=io_p2v(SIC2_BASE+INTC_MASK);//物理地址到虛擬地址的映射

sic2_rsr=io_p2v(SIC2_BASE+INTC_RAW_STAT);

__raw_writel((1＜＜15),sic2_rsr);//清中斷

__raw_writel((1＜＜15),sic2_er);//重新使能中斷

return 0;

}

3 結(jié)束語

1553B總線[7-8]廣泛應用于航空領(lǐng)域，基于1553B總線的測控設(shè)備普遍體積大，攜帶不方便，本文所闡述的測試系統(tǒng)完全能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)測控設(shè)備的功能，并且極大的縮小了設(shè)備的體積，方便攜帶。經(jīng)過測試，該系統(tǒng)實時性高、工作穩(wěn)定，能夠滿足軍工要求。

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