摘要：数据处理与IO模块首要完结数据核算、模仿和数字信号的收集与处理等功用。给出一种通用的CPCI数据处理与IO模块的规划方案，模块选用满意CPCI总线标准的加固型规划，能够完结主控模块和外设模块的自适应转化。评论了处理器功用电路规划、IO功用电路规划和通用CPCI接口规划，并针对模块功用规划进行验证。
0 导言
嵌入式数据处理与IO模块使用在抗恶劣环境中，首要完结数据核算、模仿和数字信号的收集与处理等功用。跟着嵌入式体系对数据处理功用需求的逐步进步，PowerPC微处理器因为其RISC架构、高主频、并行矢量处理技能现已成为许多高功用体系的优选处理器。一起为了进步数据处理与IO模块的开放性、扩展性和修理性，需求选用老练的标准PCI总线对模块进行标准化、通用化规划Compact PCI(简称CPCI)总线是世界工业核算机制造者联合会于1994年提出来的一种总线接口标准，是以PCI电气标准为标准的高功用工业用总线。CPCI总线充分使用了PCI总线的长处，在电气、逻辑和软件功用方面与PCI总线彻底兼容，一起具有热插拔才能，现已广泛的使用在通讯与网络、工业主动化等领域中。满意CPCI总线标准的模块选用加固型的结构规划和高牢靠的连接器，具有较高的牢靠性和较强的环境适应才能。
1 体系架构
数据处理与IO模块为6U结构，底板选用标准的CPCI连接器。功用电路首要由CPU、CPU桥接器、FLASH存储器、SDRAM存储器、FPGA逻辑电路、AD接口、离散量接口、以太网调试接口、RS232串行接口、RS422串行接口、PCI—PCI桥接器等组成，体系结构如图1所示。
模块的规划选用结构化、层次化的规划办法，各层规划的功用相对独立，各个功用子模块的功用清晰。CPU通过桥接器和FPGA完结与板内资源的交互，桥接器一起完结存储器操控器接口，能够直接对接DDR2存储器，处理器，PCI接口都能够通过桥接器对存储器进行拜访。模块上供给2路标准的66MHz/64位数据宽度的PMC接口，用于模块的功用、功用扩展，PMC总线通过PCI总线跟桥接器相连。模块内部PCI总线和底板CPCI总线选用PCI—PCI桥接器阻隔，运用时能够进行灵敏的装备。
2 处理器功用电路规划
2.1 处理器电路规划
CPU模块选用处理器PowerPC 7447A，PowerPC7447A是PowerPC系列处理器中的第四代高功用的处理器，是一款高功用、低功耗，32位精简指令集结构的处理器。处理器主频为1000MHz，能够通过跳线依据PC7447A的手册来更改主频，为节约能耗CPU模块降频到600MHz运用。
处理器通过桥接器拜访自己的资源，处理器的资源首要有：DDR2 SDRAM，Flash存储器，NVSRAM存储器，串行接口，PMC接口，以太网接口，中止操控器，可编程看门狗电路等。
处理器桥接器选用Tsi109，桥接器/集成存储器操控器供给PowerPC74XX处理器到PCI总线的接口，Tsi109供给功用有：一个高功用的存储器操控器，两处理器的支撑，两通道DMA操控器，一个中止操控器，一路音讯操控器，一路I2C接口，一个时钟锁相环电路等。
2.2 复位电路规划
复位电路首要由MAX706ESA芯片完结。模块上电时，FPGA需求装备，在装备过程中IO引脚坚持三态，此刻输入到MAX706ESA的手动复位通过下拉电阻下拉为低电平，使模块处于复位状况，待FPGA加载完结后，FPGA该IO引脚通过逻辑输出为高，手动复位完毕。在作业中通过手动复位能够对模块进行复位，假如MAX706ESA检测到电压+5V低于+4.4V时，发生复位。
3 IO功用电路规划
3.1 AD接口规划
模块供给8路差分AD来完结模仿数据的收集，8路差分模仿量输入在模块内首要被转化成8路单端输入，通过模仿开关后进入AD转化芯片，AD的并行接口输出通过锁存器后进入FPGA，模仿开关与AD芯片之间加运算放大器和电压跟从器。AD接口结构如图2所示。
AD转化芯片选用AD公司的AD976，16位采样精度，采样速率100KSPS，输入电压为±10V，AD976首要由R/C和CS信号操控转化，规划中这俩信号由FPGA完结，软件中只需向FPGA内的一个地址写入低电平，FPGA便会输出R/C和CS两个低脉冲，然后发动AD转化。
3.2 串行接口规划
模块供给8路RS422接口，选用EXAR公司的通用异步收发器XR16C864来完结，该芯片具有4路数据通道，每通道FIFO字节128字节，波特率最高可达2Mbps。能够通过芯片寄存器操作完结接口的操作装备、状况查询、过错办理、中止操控等功用。模块上通过FPGA的操控逻辑完结处理器对协议芯片的装备办理和接口中止操控等功用。
在Vxworks中，串行设备是一种特别的字符型设备。为了便利操作，软件中调用ttyDevCreate函数将RS422创立为标准的串口设备。使用程序编写时能够彻底疏忽底层硬件，将RS422看成是IO文件体系的设备，选用iolib体系库供给的接口函数open()、wrire()，read()，close()，ioctl()等函数来对设备进行操作。
4 通用CPCI接口规划
4.1 硬件规划
模块选用CPCI总线，因为要完结主控模块和外设模块的自适应转化，规划中选用PCI6466做为模块内部PCI部分总线到CPCI底板总线的桥接器。PCI6466是PLX公司规划的功用强大的工业用双形式通用PCI到PCI桥接器，能够在桥的主端和从端完结彻底异步的操作。PCI6466有通明形式、非通明形式和通用形式三种作业形式，规划时能够依据需求进行灵敏的装备。
通明形式作业时，桥的从端的一切设备对主端的主体系是通明的，从端的一切设备只能由主端的主体系对其进行装备和操控，主端和从端的时钟一般有必要同步，主端和从端的地址彻底通明，在主端和从端之间的地址传递是直接传输，不必进行地址转化。
非通明形式作业时，桥的两头是两个独立的处理器域，从端的资源和地址对主端的处理器是不行见的。答应从端的本地处理器独登时装备和操控其子体系，主端和从端的时钟能够同步或异步。主端和从端的地址彻底独立，主端和从端的地址由桥来进行转化。
通用形式下能够通过TRANS#信号将PCI6466设置为通用通明形式和通用非通明形式。为完结模块的主从自适应转化，在本规划中PCI6466被装备为通用形式。
在通用形式下，PCI6466的TRANS#信号能够直接连接到CPCI总线的SYSEN#管脚，SYSEN#管脚是体系主控模块使能信号，CPCI底板中体系槽将它接地，外设槽将该信号拉高。当模块刺进体系槽时，SYSEN#信号为低，PCI6466作业在通明桥形式。反之，假如模块被刺进外设槽，SYSEN#信号为高，PCI6466作业在非通明桥形式。这样就能够完结模块的主从自适应转化功用。
4.2 PCI接口驱动
VxWorks操作体系中供给了对PCI驱动的杰出支撑，而且能够依据实际情况进行裁剪，PCI接口驱动开发依照如下过程进行。
1)PCI装备空间初始化。通过调用PCI装备空间初始化函数完结PCI装备空间的初始化;
2)查找PCI设备。通过函数pciFindDevice来完结PCI设备的查找。该函数能够依据给定的Vendor ID和Device ID来扫描总线，找出设备地点的Bus No、Device No和Func No。
3)地址空间映射。通过操作体系供给的函数拜访PCI设备的装备空间，装备PCI设备的基址寄存器、中止、ROM基地址寄存器等，这样能够得到PCI设备的存储空间和I/O地址空间映射、设备的中止号等;
4)详细的设备驱动。依据PCI设备的装备参数，对不同的PCI设备编写初始化程序、中止服务函数以及相应的功用函数。
5 模块功用验证
完结体系和驱动软件的规划后，在详细使用环境中对体系的功用和功用进行验证，体系验证了如下功用：
(1)模块的数据处理功用，使用测验程序对CPU、SDRAM、FLASH、NVRAM等根本CPU资源进行验证，各部分功用正常。
(2)模块的IO功用，使用测验程序对模块的AD、RS422等功用进行验证，AD精度满意要求，RS422数据传输正常。
(3)CPCI的主从自适应功用，在测验工装平分别把模块刺进体系槽和外设槽，模块能主动的辨认并设置自己的人物，作为主设备时能够完结对外设的装备，作为外设时能够在PCI设备列表中扫描到。
6 结语
本文介绍了一种通用CPCI数据处理与IO模块的规划与完结，满意CPCI总线标准的模块选用加固型的结构规划和高牢靠的连接器，具有较高的牢靠性和较强的环境适应才能。模块通过体系的测验验证，具有通用性、高牢靠性的特色。
