王羽

摘 要

文章分析并介紹了一種基于FPGA的計算機系統(tǒng)接口實驗平臺設計方案與研制策略，整套方案能夠引入全新FPGA器件，對擴大芯片內(nèi)邏輯密度有重要意義，同時由于系統(tǒng)內(nèi)置高速收發(fā)器、DSP處理片等功能，因此對實現(xiàn)邏輯設計、嵌入式開發(fā)、仿真調(diào)試等功能有重要作用，對擴大接口設計能力而言是非常重要的，有廣闊應用前景。

【關(guān)鍵詞】計算機系統(tǒng)接口 FPGA 實驗平臺 設計

1 計算機系統(tǒng)接口實驗平臺設計

1.1 功能設計

整套計算機系統(tǒng)接口實驗平臺在投入使用后首先需要滿足調(diào)試人員接口設計基本操作技巧的訓練，熟練各種工具的使用以及HDL語言用法等，然后通過增加基于HDL邏輯、LCD顯示、RS232串行通信等通用接口設計的方式強化調(diào)試人員的階梯訓練能力，最后綜合應用上述多個模塊，由調(diào)試人員綜合應用接口設計相關(guān)技術(shù)理念獨立完成接口設計方案，提高設計能力。具體而言，系統(tǒng)所需要滿足的實驗功能應當包括：音頻接口設計、網(wǎng)絡接口設計、USB外置接口設計、嵌入式主USB接口設計、顯示設計、輸出接口設計等在內(nèi)。

1.2 模塊設計

基于FPGA的計算機系統(tǒng)接口實驗平臺實驗板上主要配置系統(tǒng)時鐘、外部接口、配置電路、供電系統(tǒng)、以及主FPGA芯片器件這五個方面的功能模塊。其中，系統(tǒng)時鐘的主要功能是對計算機系統(tǒng)接口實驗平臺提供時鐘源支持；外部接口主要功能是通過配置專用接口器件的方式實現(xiàn)與FPGA的可靠連接，構(gòu)成完整接口電路，并且支持與外部期間的交互式聯(lián)通；配置電路的主要功能是支持基于FPGA編程操作的實現(xiàn)；供電系統(tǒng)的主要功能是面向整套計算機系統(tǒng)接口實驗平臺實驗板上的所有電路提供電源支持；主FPGA芯片器件則是整套計算機系統(tǒng)接口實驗平臺的模塊核心，可決定系統(tǒng)功能實現(xiàn)情況?；贔PGA的計算機系統(tǒng)接口實驗平臺硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 計算機系統(tǒng)接口實驗平臺研制

2.1 主芯片

整套計算機系統(tǒng)接口實驗平臺主芯片選型為XC6SLX45T，此類FPGA芯片中共內(nèi)置4分BANK，各個BANK模塊所對應IO通信接口可單獨供電，但要求同一BANK模塊內(nèi)部IO工作接口供電高度一致，且與外部接口期間供電要求應當匹配。1#、3#、4#BANK模塊IO接口電壓均設置為3.3V標準單位，2#BANK模塊IO接口電壓設計中考慮到該模塊需要與FMC擴展接口進行連接，因此按照3.3V以及2.5V標準備選。

2.2 配置電路

整套計算機系統(tǒng)接口實驗平臺系統(tǒng)共配置3條配置電路通道，第一是通過計算機系統(tǒng)主機經(jīng)USB外置接口/Jtag進行編程；第二是將配置文件下載并存儲于專用SPI Flash模塊中，然后上電自動編程FPGA；第三是支持ACE的配置控制器電路，通過ACE配置控制器對計算機系統(tǒng)接口實驗平臺外部CF卡進行控制，實現(xiàn)對FPGA的配置與通信功能。上述可配置電路期間以菊鏈方式串接接入，具體方案如圖2所示。

2.3 系統(tǒng)接口

整套計算機系統(tǒng)接口實驗平臺中涵蓋多種通用接口，包括USB外置接口、音頻接口、網(wǎng)絡接口、VGA接口等。其中，音頻接口以及VGA接口分別選用AK4520以及AD7125器件。其中，AK4520器件能夠支持三類主頻模式，并兼具四類串行數(shù)據(jù)流的模式功能，可實現(xiàn)雙聲道播放功能，可完全滿足計算機系統(tǒng)接口實驗平臺的音頻功能需求；AD7125器件支持基于8位數(shù)據(jù)寬度的RGB顏色分量，像數(shù)點時鐘可達到240.0MHz級別，可以滿足是平臺高清顯示的功能需求。USB外置接口平臺設計中則保留原平臺所應用的PDIUSBD12器件，發(fā)揮其體積小、功能多等優(yōu)勢，支持整套計算機系統(tǒng)接口實驗平臺實現(xiàn)串行接口引擎，數(shù)據(jù)包發(fā)送、數(shù)據(jù)包接受、數(shù)據(jù)包終端等多項功能。FPGA器件在USB外置接口相關(guān)功能實現(xiàn)過程中主要負責對USB接口控制器進行初始化處理的工作任務，并且還需要對主機經(jīng)PDIUSBD12器件所發(fā)送數(shù)據(jù)包與指令作出回應。網(wǎng)絡接口所選用器件為88E1111，該器件可支持千兆單位網(wǎng)絡傳輸，可滿足計算機系統(tǒng)接口實驗平臺功能需求。

3 結(jié)束語

本文提出了一套基于FPGA的計算機系統(tǒng)接口實驗平臺設計方案，對本方案的設計要點以及平臺研制問題進行了概括分析與總結(jié)。整套方案綜合性能確切，可滿足對調(diào)試人員的訓練要求，且能夠提供容量更大、速度更快、硬軟件資源更為豐富的功能支持，對進一步提高調(diào)試人員計算機系統(tǒng)接口設計創(chuàng)新能力也有重要意義。

參考文獻

[1]劉繼斌，胡修林，張?zhí)N玉等.高速大容量存儲通道的設計[J].華中科技大學學報（自然科學版），2005，33（11）：30-32.

[2]溫東新，高清娥，張展等.基于SCSI的存儲系統(tǒng)評測平臺設計與實現(xiàn)[J].計算機工程，2012，38（05）：47-49，55.

[3]易奇，賈婧，路楊等.iSCSI協(xié)議一致性測試研究與實現(xiàn)[J].計算機工程與應用，2014（06）：77-82，134.

作者單位

江蘇自動化研究所 江蘇省連云港市 222006