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前言
目前的ARM處理器已經(jīng)適合應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)。ARM處理器的成本低而且種類多。主頻能夠滿足數(shù)控領(lǐng)域需求而且功耗比較低，無需使用風(fēng)扇，提高了系統(tǒng)的可靠性。帶有MMU的ARM處理器支持?jǐn)?shù)控軟件所需要的Linux操作系統(tǒng)，能夠充分利用現(xiàn)有的數(shù)控軟件資源。隨著ARM處理器和FPGA的快速發(fā)展．給數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了新的解決方案。ARM處理器用作系統(tǒng)的核心，可編程FPGA器件作為運(yùn)動控制器。同時FPGA器件提供數(shù)控系統(tǒng)I/O等其它輔助電路。
隨著PC/104成為工業(yè)控制領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)被IEEE協(xié)會定義為IEEE-P996.1，PC/104總線提供的信號跟ISA總線一樣，但是前者的機(jī)械規(guī)格不僅易于擴(kuò)充而且更加堅(jiān)同，適合應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)。但是這種總線結(jié)構(gòu)是在Intel的x86體系結(jié)構(gòu)上發(fā)展而來，目前x86對PC/104的支持比較好，而ARM對PC/104的支持還不完全統(tǒng)一，主要由于ARM和x86在體系結(jié)構(gòu)、總線時序、電氣特性以及指令集等方面的差異。而且不同的數(shù)控系統(tǒng)所需要的總線信號也不完全一樣。本文將提出一種基于ARM處理器的數(shù)控系統(tǒng)上支持P0104總線的方案。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
數(shù)控系統(tǒng)中的ARM處理器采用Cirrus Logic的EP9315處理器，用EP9315的一個片選（nGCS3_PHBASE 0X30000000）作為PC104的地址范圍，用地址ADDR24來控制MEMORY和10的方式的讀寫；用另一個片選（nGCS1_PHBASE 0X10000000）來查詢PC104的中斷號，當(dāng)PC104有中斷的時候，用一個中斷通知CPU，然后CPU通過nGCS1這個地址來讀中斷號，判斷出11個PCIl04中斷源中來自哪個中斷。由于EP9315和CPLD在制作工藝、電氣性能上與PC/104總線有比較大的差別．因此需要使用74LVTH16245作為3.3-5V電氣轉(zhuǎn)換buffer用來調(diào)整電平模式。CPLD是基于乘積項(xiàng)的可編程邏輯器件．CPLD內(nèi)部采用固定長度線連接各個邏輯塊，因此具有較大的時間可預(yù)測性，引腳到引腳的延遲幾乎是固定的，與邏輯設(shè)計(jì)無關(guān)，因此適合作為PC/104總線控制器。這里使用Altera的EPM7032用作PC/104總線控制器，用來完成EP9315讀寫時序向PC/104總線讀寫時序的轉(zhuǎn)換。EP9315的數(shù)據(jù)總線和地址總線連到電平轉(zhuǎn)換buffer，輸出到PC/104總線上。因此PC/104總線設(shè)計(jì)的核心是保證EPM7032有正確的讀寫時序。原理圖如圖1所示：
圖1 原理框圖
2 PC/104總線控制器的實(shí)現(xiàn)
PC/104 總線介紹
PC/104采用模塊化設(shè)計(jì)方法．通過自堆疊總線，省去了對底板或板卡插槽的要求。通過將多數(shù)信號的總線驅(qū)動電流減小至4mA．將元件數(shù)量和功耗降到最低。模塊的104個信號線分布在兩個總線連接器上，P1連接器有64個信號引腳，P2連接器有40個信號引腳。與ISA總線相比，PC/104總線將板卡的長寬比降至3．775英寸比3．550英寸（即96mm比90mm），克服了ISA總線機(jī)械規(guī)格的缺點(diǎn)。PC/104總線與PC/AT總線兼容，也定義了兩種工作模式一8位和16位數(shù)據(jù)模式。對于8位數(shù)據(jù)模式，總線信號由板上的64引腳雙排插座P1/J1提供，對于16位模式，增加了40引腳雙排插座P2/J2。
ARM EP9315處理器介紹
EP9315處理器是Cirrus Logic推出的一款基于ARM920T內(nèi)核的RISC處理器，主要面向工業(yè)計(jì)算機(jī)和手持設(shè)備等等。ARM920T是Harvard體系結(jié)構(gòu)處理器，由ARM920TDMI、存儲管理單元（MMU）和高速緩存3部分組成。有獨(dú)立的16位指令cache和數(shù)據(jù)cache。ARM920T有5級流水線。EP9315工作頻率為200M Hz，集成了2D圖形加速器和協(xié)處理器，以及豐富的外設(shè)接口例如IDE控制器和PCMCLA控制器等，即使不使用額外的DSP芯片也能夠支持相當(dāng)多的外設(shè)。EP9315支持Linux。Microsofi Windows CE等操作系統(tǒng)。
PC/104總線控制器的設(shè)計(jì)
控制器的CPLD設(shè)計(jì)采用Altera公司的EPM7032．屬于MAX7000可編程器件系列。MAX7000系列是高密度、高性能的CPLD，采用了Altera的第二代MAX架構(gòu)，采用浮柵EEPROM設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)如圖2所示：
圖2 EPM7032的結(jié)構(gòu)
結(jié)構(gòu)中包括邏輯陣列模塊（LAB）組成的陣列、可編程互連陣列口（PLA）和可編程I/O模塊陣列。每個LAB包括36個輸入端、16個輸出端和16個宏單元，每個宏單元包括處理組合和時序運(yùn)算的組合邏輯和觸發(fā)器。PIA作為全局總線提供了多重LAB、專用輸入端和I/O引腳之間的連接。PIA為邏輯單元的輸出和LAB的輸入提供了包括預(yù)計(jì)定時的完整連接。器件可以工作在3．3v。pin—to—pin的延遲tPD=6ms，工作頻率可達(dá)151．5MHz，能夠與EP9315的AMBA總線時鐘頻率相匹配。EPM7032支持多種設(shè)計(jì)輸入，除原理圖外還可以通過VHDL Veriiog HDL和Altera Hardware Description Language （AHDL）。Verilog HDL語言是一種硬件描述語言，能形式化地抽象描述電路的結(jié)構(gòu)和行為，支持邏輯設(shè)計(jì)中層次與領(lǐng)域的描述，具有電路仿真與驗(yàn)證機(jī)制以保證設(shè)計(jì)的正確性，用于算法級、門級和開關(guān)級的建模。開發(fā)環(huán)境使用Altera的MAX+Plus。
總線控制器的實(shí)現(xiàn)與仿真
在PC/104總線內(nèi)部，用一個信號INT1查詢相關(guān)的中斷信號，使用片選信號CS3和地址信號LADDR24和讀寫信號WR、RD選擇MEM或者10的讀寫方式。相關(guān)代碼如下：
assign INT1=（IRQ［3］ || IRQ［4］ || RQ［5］ || IRQ［6］ || IRQ［7］ || IRQ［9］ || IRQ［10］ || IRQ［11］ || IRQ［12］ || IRQ［14］ || IRQ［15］）；
assign MEMW=（CS3 || WR || LADDR24）；
assign MEMR=（CS3 || RD || LADDR24）；
assign IOW=（CS3 || WR） || （~LADDR24）;
assign IOR=（CS3 || RD） || （~LADDR24）;
使用MAX+Plus部分仿真結(jié)果如圖3所示。從波形上可以看出INTI能夠檢測出中斷產(chǎn)生，能夠檢測到MEM和I/O讀寫請求?？偩€控制器把這些信號輸入到ARM處理器，完成對PC/109總線讀寫的控制。
圖3 讀寫時序仿真波形
3 Linux下的PC/104總線驅(qū)動程序的設(shè)計(jì)
在Linux中，由于有設(shè)備文件，所以才能使得用戶非常方便的訪問外部設(shè)備，Linux系統(tǒng)為外部設(shè)備提供一種標(biāo)準(zhǔn)接口，將外部設(shè)備視為一種特殊文件，可以像訪問文件一樣訪問一個外部設(shè)備。Linux通常將設(shè)備分為i種基本類型：字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。在基于ARM處理器的數(shù)控系統(tǒng)中把PC/104總線看作塊設(shè)備。下面是PC/104代碼的說明：
nGCS1_VBASE=ioremap（（nGCS1_PHBASE）．2）；
nGCS3_VBASE=ioremap（（nGCS3_PHBASE+BaseAddr+LADDR24），256）；
config=inl（SMCBCR1）；
config &=0xcfffffff； //set nGCSI 8-BIT
outl（config，SMCBCR1）；
config=inl（SMCBCR1）；
config=inl（SMCBCR3）；
config &=0xcfffffff； //set nGCS3 8-BIT
eonfig 1=0x0000fbe0；
outl（config，SMCBCR3）；
config=inI（SMCBCR3）；
兩部分比較主要一部分是初始化SMCBCR1和SMCBCR3。另一部分是：一個是PC/104的基地址，另一個是讀PC/104中斷的基地址。這兩個要在初始化時就要給定：
nGCS1_VBASE=ioremap（（nGCS_PHBASE），2）；
nGCS3_VBASE=ioremap（（nGCS3_PHBASE+BaseAddr+LADDR24），256）；
其中uGCS1_VBASE為讀中數(shù)的nGCS3_VBASE為PC/104MEM的基地址。用操作系統(tǒng)擔(dān)供的函數(shù)outl、inl可操作寄存器。
4 結(jié)語
本文創(chuàng)新點(diǎn)：提出一種基于ARM EP9315處理器的數(shù)控系統(tǒng)上支持PC/104總線的方案．主要描述了ARM數(shù)控系統(tǒng)中的PC/104總線控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，使用CPLD和Verilog HDL語言。實(shí)現(xiàn)了EP9315對PC/104總線讀寫信號的控制和中斷處理。完成了Linux下的PC/104總線控制器的驅(qū)動程序．提供了基于ARM處理器的數(shù)控系統(tǒng)的PC/104總線解決方法．彌補(bǔ)了ARM處理器對于PC/104總線的支持不足缺點(diǎn)，使得ARM處理器能夠更廣泛的應(yīng)用于數(shù)控領(lǐng)域。
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