程 鵬，苗克堅(jiān)

（西北工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)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(diǎn)是集中控制、實(shí)時(shí)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(yīng)用于軍事、航空航天系統(tǒng)[2]。傳統(tǒng)的1553B測(cè)試設(shè)備采用普通計(jì)算機(jī)或工控機(jī)作為測(cè)試平臺(tái)，通過PCI總線與被測(cè)設(shè)備通信，這對(duì)測(cè)試設(shè)備的攜帶造成極大不便。本文所闡述的測(cè)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的小型化和便攜化，應(yīng)用FPGA實(shí)現(xiàn)ARM時(shí)序與1553B時(shí)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(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件介紹

該系統(tǒng)硬件由LPC3250核心板、外擴(kuò)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(yīng)用，采用ARM926EJ-SCPU內(nèi)核，實(shí)現(xiàn)5級(jí)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(qiáng)大。

本系統(tǒng)外擴(kuò)USB、RS232和網(wǎng)絡(luò)接口，用于操作系統(tǒng)的燒寫和驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用程序的調(diào)試，并且配備實(shí)時(shí)時(shí)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(qiáng)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(gè)邏輯單元以及288 kb RAM，支持3.3-V LVTTL/CMOSIO標(biāo)準(zhǔn)，可直接與ARM通信，無需進(jìn)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(gè)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(shí)，會(huì)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(jì)

LPC3250包括3個(gè)外部存儲(chǔ)器接口，分別是NANDFlash控制器、Secure Digital控制器和外部存儲(chǔ)器控制器（External memory controller，簡(jiǎn)稱為EMC）。EMC提供了系統(tǒng)總線與片外存儲(chǔ)設(shè)備之間的接口功能，可實(shí)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(jìn)行通信，該接口具有時(shí)序操作簡(jiǎn)單，接口速度快等特點(diǎn)。利用FPGA模擬靜態(tài)RAM，并進(jìn)行時(shí)序轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)ARM對(duì)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(chǔ)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(hào)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(hào)說明Tab.1 Control signals introduction

1.3 FPGA邏輯設(shè)計(jì)

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

TRANSPARENT/BUFFERED*信號(hào)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(kuò)存儲(chǔ)器，工作在緩沖模式下即可，因此MEMOE*等信號(hào)可以不做考慮；STRBD*和SELECT*可接到一起，作為芯片的片選信號(hào)；RD/WR*為讀寫信號(hào)；MEM/REG*用來區(qū)分訪問內(nèi)部4K存儲(chǔ)器資源還是寄存器資源；IOEN*有效時(shí)，標(biāo)志芯片正在處理外部的訪問；READYD*信號(hào)在本系統(tǒng)中十分重要，當(dāng)ARM寫時(shí)，READYD*有效表示數(shù)據(jù)成功寫入芯片中，當(dāng)ARM讀時(shí)，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(hào)，對(duì)于總線未復(fù)用的處理器，該信號(hào)置為高；RT_AD_LAT*信號(hào)為RT地址鎖存信號(hào)，該信號(hào)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(hào)用于中斷ARM，該信號(hào)經(jīng)過FPGA與ARM的GPIO引腳相連 ，相應(yīng)的GPIO引腳被配置為外部中斷引腳。

FPGA的邏輯設(shè)計(jì)采用鎖存的方式，即所有的地址信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)、讀寫、片選、EME/REG*信號(hào)通過鎖存器直接打到總線上，這些信號(hào)在ARM訪問期間一直有效。因此ARM需要進(jìn)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(hào)，直到其有效，再進(jìn)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(hào)

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(hào)

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(hào)送到BU-64843T8

RD_WR＜=CONTR_REG1(2);

STRBD＜=CONTR_REG1(1);

2 1553B驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)原理與實(shí)現(xiàn)

2.1 文件操作接口

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序在Linux內(nèi)核中扮演著特殊的角色。它們是獨(dú)立的模塊，使某個(gè)特定的硬件響應(yīng)一個(gè)定義良好的內(nèi)部編程接口，用戶的操作通過一組標(biāo)準(zhǔn)化的調(diào)用執(zhí)行，而這些調(diào)用獨(dú)立于特定的驅(qū)動(dòng)程序。將這些調(diào)用映射到作用于實(shí)際硬件的設(shè)備特有操作上，則是設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(gè)能夠像字節(jié)流一樣被訪問的設(shè)備。字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序通常要實(shí)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(dòng)程序主要包括以下幾個(gè)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(dòng)程序與應(yīng)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(dòng)程序中只需實(shí)現(xiàn)struct file_operations中相應(yīng)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(yīng)文件系統(tǒng)的open操作

.write=xc1553_write,//實(shí)現(xiàn)寫功能

.read=xc1553_read,//實(shí)現(xiàn)讀功能

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

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

};

當(dāng)用戶加載驅(qū)動(dòng)模塊時(shí)，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(cè)，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(cè)。

當(dāng)用戶卸載驅(qū)動(dòng)模塊時(shí)，需要在static void__exit xc1553_exit(void)函數(shù)中進(jìn)行驅(qū)動(dòng)模塊和設(shè)備的卸載，以及中斷號(hào)的釋放。

2.2 中斷處理模塊的實(shí)現(xiàn)

當(dāng)1553B產(chǎn)生中斷時(shí)，由xc1553_init函數(shù)中注冊(cè)的中斷處理函數(shù)進(jìn)行處理，并且通知上層應(yīng)用程序進(jìn)行讀寫操作。驅(qū)動(dòng)程序與應(yīng)用程序的通信通過異步通知的方式實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)異步通知，在驅(qū)動(dòng)程序中需要實(shí)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(shí)現(xiàn)，作用是為當(dāng)前進(jìn)程創(chuàng)建一個(gè)fasync_struct結(jié)構(gòu)體，然后掛入目標(biāo)設(shè)備的fasync隊(duì)列，最后在設(shè)備驅(qū)動(dòng)的中斷處理程序中，使用kill_fasync函數(shù)向該隊(duì)列發(fā)送信號(hào)，通知上層應(yīng)用程序。

xc1553_fasync函數(shù)實(shí)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(shí)現(xiàn)如下：

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

{

…

if(fasync_queue_1553)

{

//向進(jìn)程隊(duì)列發(fā)送SIGIO信號(hào)

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(yīng)用于航空領(lǐng)域，基于1553B總線的測(cè)控設(shè)備普遍體積大，攜帶不方便，本文所闡述的測(cè)試系統(tǒng)完全能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)測(cè)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(cè)試，該系統(tǒng)實(shí)時(shí)性高、工作穩(wěn)定，能夠滿足軍工要求。

[1]賓辰忠,苗克堅(jiān).基于1553B總線的實(shí)時(shí)消息流實(shí)現(xiàn)與控制[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2005,13(9):967-969.BIN Chen-zhong,MIAO Ke-jian.Message Stream Research and Implementation in Real-Time Network System Based on 1553B Bus[J].Computer Measurement&Control,2005,13(9):967-969.

[2]吳小強(qiáng),李慶,張望遠(yuǎn).Linux下1553B驅(qū)動(dòng)軟件實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2011,19(10):2564-2566.WU Xiao-qiang,LI Qing,ZHANG Wang-yuan.Design and implementation of real-time 1553B driver under Linux[J].Computer Measurement&Control,2011,19(10):2564-2566.

[3]MIL-STD-1553B Digital Internal Time Division Command/Response Multiplex Data Bus[S].USA Military Standard,1978.

[4]高志強(qiáng),苗克堅(jiān),張?chǎng)╄?彈載計(jì)算機(jī)1553B總線測(cè)試模塊設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2008,16(9):1280-1282.GAO Zhi-qiang,MIAO Ke-jian,ZHANG Wen-lu.Testing Module Design of 1553B Bus in Missile Borne Computer[J].Computer Measurement&Control,2008,16(9):1280-1282.

[5]Corbet J,Rubini A,Kroah-Hartman G,LINUX設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序[M].第三版.魏永明 耿岳 鐘書毅,譯.北京:中國(guó)電力出版社,2005.

[6]蔣貴全,張輝,王國(guó)鋒.基于Linux的FPGA數(shù)據(jù)通信接口驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2009,29(9):2520-2522 JIANG Gui-quan,ZHANG hui,WANG Guo-feng.Design and implementation of FPGA data communication interface driver based on Linux[J].Journal of Computer Applications,2009,29(9):2520-2511.

[7]吳云忠.基于PCI接口的1553B總線控制軟件設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013（24）：47-49.WU Yun-zhong.Design of 1553B bus control software based on PCI interface [J].Modern Electronics Technique，2013（24）：47-49.

[8]張啟敏，孫劍波，權(quán)云濤.1553B總線網(wǎng)絡(luò)中RT終端系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)[J].電子科技，2014（3）:38-40.ZHANG Qi-min，SUN Jian-bo，QUAN Yun-tao.Design and implementation of RT terminal system software in 1553B bus network[J].Electronic Science and Technology，2014（3）:38-40.