嵌入式1394總線接口的設(shè)計和實現(xiàn)

　　一、 引言

　　IEEE1394 是1986 年由蘋果電腦公司針對高速數(shù)據(jù)傳輸開發(fā)的一種總線接口，并于1995年由美國電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）制定成標(biāo)準(zhǔn)，旨在取代并行SCSI 接口。目前為止，它主要發(fā)展為IEEE1394-1995，1394a，1394b 等系列標(biāo)準(zhǔn)。1394 作為一個工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的高速串行總線，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于數(shù)字?jǐn)z像機、數(shù)字照相機、電視機頂盒、計算機及其外圍設(shè)備、DVD 設(shè)備等等，甚至在航天軍事領(lǐng)域也有一定的應(yīng)用潛力。這些設(shè)備便攜性的需求加快了它們集成度的提高，這些都將使1394 總線與嵌入式處理器的結(jié)合有很廣闊的應(yīng)用前景。

　　等時傳輸模式的優(yōu)越性使1394 總線廣泛應(yīng)用于圖像傳輸領(lǐng)域，而數(shù)字信號處理器（DSP）在圖像等信號處理方面具有很大優(yōu)勢，因此基于DSP 實現(xiàn)的1394 總線接口在圖像傳輸和處理領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用需求，但是，DSP 芯片與1394 總線芯片時序一般不能直接匹配。本文提出了一種基于DSP 的1394 總線接口實現(xiàn)方案，能在基于DSP 處理器的嵌入式系統(tǒng)上方便地實現(xiàn)1394 總線接口，具有較強的現(xiàn)實意義。

　　二、 設(shè)計方案

　　1394 總線協(xié)議包括物理層，鏈路層，傳輸層，應(yīng)用層以及串行總線管理器。目前已經(jīng)有很多廠家能提供1394 總線接口的協(xié)議芯片，可以很容易地實現(xiàn)1394 總線接口本身。本文主要介紹如何通過FPGA 實現(xiàn)嵌入式處理器與1394 總線鏈路層控制器芯片的匹配，嵌入式處理器把1394 總線設(shè)備作為外設(shè)實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取和寫入。整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1。其中DSP 是本文使用的嵌入式處理器類型，1394 鏈路層控制器和1394 物理層控制器是1394 總線協(xié)議芯片。FPGA 是現(xiàn)場可編程門陣列，是本文用于實現(xiàn)DSP 與1394 鏈路層控制器匹配的主要芯片，與分立器件相比，它具有可擦除、功耗小、體積小和調(diào)試方便等優(yōu)勢。本文選用ACTEL 公司生產(chǎn)的APA300 芯片來完成設(shè)計,它有30 萬門陣列資源，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足本設(shè)計的需求。

　　2.1 TMS320V33

　　德州儀器（TI）在DSP 設(shè)計廠商中具有領(lǐng)先優(yōu)勢，TMS320V33 是TI 推出的TMS320 系列的第三代處理器的升級版本的32 位浮點運算數(shù)字信號處理器，也是目前國內(nèi)外使用最為廣泛的浮點DSP 芯片之一。它有24 位地址總線和32 位數(shù)據(jù)總線，本設(shè)計中使用高17 位地址信號作為選通信號，低7 位地址信號作為輸出給鏈路層芯片的有效地址信號，低16 位數(shù)據(jù)總線作為有效數(shù)據(jù)信號，H1 是37.5Mhz 時鐘信號。TMS320V33 讀寫外部寄存器時序如圖2。

　　2.2 鏈路層控制器

　　目前能提供 1394a 鏈路層控制器芯片的廠商有很多，芯片種類也很多。而其中TI 公司生產(chǎn)的TSB12LV32 功能全面，應(yīng)用廣泛。它是一款高性能通用1394a 鏈路層控制器，它主要實現(xiàn)1394 鏈路層協(xié)議。圖3 和圖4 是1394 鏈路層芯片TSB12LV32 的握手模式讀寫時序圖。其中BCLK 代表時鐘信號輸入，最大工作頻率是60Mhz；MWR 代表讀寫使能信號輸入，高電平時讀使能有效，低電平時寫使能有效；MCS 代表選通信號輸入，低電平有效；MCA 代表選通應(yīng)答信號輸出，低電平有效；MA 代表地址信號輸入；MD 代表雙向數(shù)據(jù)信號；另外COLDFIRE,M8BIT/SIZ0,MCMODE/SIZ1 為設(shè)置工作模式專用信號。在本設(shè)計中我們選用握手工作模式。

　　2.3 方案選擇

　　鏈路層控制器最高僅 60Mhz 的理論工作頻率使得高性能的TMS320V33 必須增加自己的讀寫周期才能與之很好的配合，TMS320V33 的讀寫周期可以通過RDY 信號或者增加可編程等待狀態(tài)改變。在本設(shè)計中我們對TMS320V33 使用RDY 信號的方法來配合它與鏈路層芯片的讀寫時序。兩種方法沒有好壞之分，區(qū)別僅在于DSP 可編程等待狀態(tài)的數(shù)量是有限的，但是大部分情況下增加有限的等待狀態(tài)已經(jīng)足夠。

　　我們可以選擇使用組合邏輯和時序邏輯來完成此FPGA 設(shè)計，雖然組合邏輯設(shè)計方法簡單、占用資源少，但是它僅僅是讓DSP 和鏈路層芯片的讀寫時序“湊”到一起，很難實現(xiàn)完全配合，而且會在讀寫過程中存在很多“毛刺”、“競爭”和“冒險”，不適合應(yīng)用在性能要求比較高的場合。有限狀態(tài)機是時序邏輯的一種，它由狀態(tài)、狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件和狀態(tài)輸出組成。它具有以下優(yōu)點：1.它是同步時序電路，克服了組合邏輯順序控制不靈活的缺點，便于與CPU 配合；2.狀態(tài)機容易構(gòu)成性能良好的同步時序邏輯模塊，只需要將“毛刺”控制在下一個狀態(tài)到來之前，這對于對付設(shè)計中的“競爭冒險”現(xiàn)象無疑是一個較好的辦法；3.狀態(tài)機的結(jié)構(gòu)模式相對簡單，設(shè)計方案相對固定，設(shè)計方法具有通用性。

　　基于以上情況，本設(shè)計中使用“有限狀態(tài)機”的方法實現(xiàn)嵌入式處理器與鏈路層芯片的時序匹配，保證在處理器的一次讀寫操作中數(shù)據(jù)能正確有效地傳送。結(jié)合圖2、圖3 和圖4的讀寫時序給出狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖5。此狀態(tài)機一共由6 個狀態(tài)組成，分別為IDLE、START、RD0、RDi、WR0、WRi。在RESET 信號有效時設(shè)計進入復(fù)位階段，復(fù)位后狀態(tài)機進入IDLE 狀態(tài)；在IDLE 狀態(tài)中，如果片選信號有效，狀態(tài)機進入START 狀態(tài)，同時輸出給鏈路層控制器MCS 端口低信號，選通鏈路層芯片寄存器；狀態(tài)機進入START 狀態(tài)后，開始檢測讀寫使能信號，如果讀（寫）信號有效，則進入RD0（WR0）狀態(tài)，同時向鏈路層控制器芯片讀（寫）的地址；在RD0（WR0）狀態(tài)中，檢測鏈路層控制器芯片的MCA 管腳信號，在MCA 有效時讀（寫）有效數(shù)據(jù)，并向DSP 輸出RDY 有效信號，狀態(tài)機進入RDi（WRi）狀態(tài)，經(jīng)過一個時鐘后釋放數(shù)據(jù)和地址總線，返回IDLE 狀態(tài)。

　　三、 設(shè)計實現(xiàn)

　　目前用于 FPGA 設(shè)計的主流硬件描述語言主要有VHDL 和verilog HDL，本設(shè)計借助VHDL語言實現(xiàn)。下面簡要列出實現(xiàn)狀態(tài)機的VHDL 代碼結(jié)構(gòu)：

　　將此設(shè)計方法實現(xiàn)的電路下載到實際系統(tǒng)中進行驗證，試驗結(jié)果表明，該設(shè)計能成功完成TMS320V33 對TSB12LV32 芯片讀寫控制功能。接口后仿真時序如圖6 所示，包括一次寫操作和三次讀操作。

　　四、 結(jié)論

　　本設(shè)計實現(xiàn)的 TMS320V33 與1394 總線鏈路層芯片TSB12LV32 的接口設(shè)計方法，設(shè)計思路清晰，時序準(zhǔn)確，并且具有一定的靈活性和通用性，其他類似處理器與1394 總線鏈路層芯片的接口都可以采用類似的設(shè)計方法。

　　本文的設(shè)計方法為其它各種處理器與外設(shè)接口的匹配設(shè)計實現(xiàn)提供了有益的參考。