1 引 言 　　1987年，VME總線被批準為國際標準IEEE1014-1987。VME總線系統采用主控/目標結構、異步非復用傳輸模式，支持16位、24位、32位尋址及8位、16位、24位、32位數據傳輸，最大總線速度是40 MB/s。1996年的新標準VME64（ANSI/VI-TA1-1994）將總線數據寬度提升到64位，最大數據傳輸速度為80 MB/s。 　　而由FORCE COMPUTERS制定的VME64x總線規范將總線速度提高到了320 MB/s。歷史上，VME總線由于其眾多的功能、強大的兼容性、并行性和高可靠性一直是實時嵌入式系統的首選機型，主要應用于圖像處理、軍事通信、雷達信號處理等眾多領域。本文基于雷達實時信號處理的需要，用FPGA實現了多DSP信號處理模板局部總線和基于標準VME總線的計算機進行通信的接口設計。 2 VME總線的功能特點 　　VME總線系統的功能結構可以分為4類：數據傳輸總線（DTB）、DTB仲裁總線、優先中斷總線和實用總線。每一類都包括一條總線以及與之相關的功能模塊，他們共同完成某一確定的功能。 　　2.1 數據傳輸總線 　　DTB信號線可以分為3類：尋址線、數據線、控制線。為了適應處理器尋址的靈活性，并對地址空問進行保護，VME總線提供6條地址修改線，選擇不同的地址修改碼即可實現16，24，32位的尋址變化，并對地址空間賦予特定的保護權限。控制線和地址線的不同組合可以靈活地控制數據的傳送寬度和方式，如8，16，24，32位。 　　依靠這些控制信號的互鎖邏輯，VME總線進行異部傳輸，而不需要時鐘的同步，從而可以可靠地實現不同設備之間的數據傳輸。當主從模塊交換數據時，地址線由主模塊驅動進行尋址，根據利用的地址線數目的不同，地址可以是短地址、標準地址和擴展地址，所用地址線的數目由地址修改線AM0～AM5規定。數據線D00～D31用來傳輸l～4個字節的數據。主模塊用數據選通線DS0～DS1，字長線LWORD和地址線A01配合制定不同的數據傳輸周期類型。其數據長度選擇的真值表和地址總線真值表如表1和表2所示。這里暫不涉及64位據和地址總線。 　　2.2 DTB仲裁總線 　　在VME總線系統中，當同時有多個模塊要求使用DTB時，仲裁子系統就檢測這些請求，并在某一時刻僅允許一塊模板使用DTB。 　　仲裁總線由6條總線信號線和4組菊花鏈信號線組成：總線請求線BR0～BR3;總線忙線BBSY;總線清除線BCLR;總線允許輸入線BG0IN～BG3IN;總線允許輸出線BG0OUT～BG3OUT。菊花鏈信號線由每塊板的總線允許輸入線（BgxIN）和總線允許輸出線（BgxOUT）組成。從n號插槽出來的菊花鏈信號線，如BGxOUT與下一板（n+1）號插槽的（BgxIN）相連。槽1的BgxIN一般由槽1的總線仲裁模塊來驅動。 　　在VME總線仲裁系統中共有O～3四種優先級，第3優先級最高，第0優先級最低，也就是說DTB仲裁總線中總線請求，總線允許輸入和總線允許輸出各有4條。每個請求模塊只驅動一條請求線，并接受同一級別的總線允許鏈路仲裁，即BRx，BGxIN，BGxOUT中x相同時才能構成一級仲裁鏈路。至于仲裁驅動模塊對4條仲裁鏈路的處理，則可以采用3種不同的方式：優先法、循環法和單級法。 　　優先級仲裁是按照4條總線請求的優先級別從最高的BR3到最低的BR0這一固定的優先順序分配總線的。循環仲裁是按照循環優先的原則來分配總線的，在總線請求線BR（n）上某一請求模塊已獲準使用總線時，則下一次仲裁的最高優先級就是BR（n-1）;單級僅接受BR3上的請求，并依靠BR3上的總線允許菊花鏈來裁判。 　　2.3 優先中斷總線 　　通常僅有一個處理器處理中斷，監視中斷請求線（IRQl～IRQ7），IRQ7優先權最高，在響應中斷時，一個地址周期產生，這個地址指示請求已被響應，中斷響應線（IACK）被仲裁器改變以daisy-chain（菊花鏈）的方式向下傳送，用IACKIN和IACKOUT信號，一個數據周期指出請求設備，并提取請求設備的狀態和IV（中斷矢量）。 　　2.4 實用總線 　　實用總線功能提供系統周期定時，上電初始化和故障檢測功能，主要有SYSCLK（系統時鐘線），ACFAIL（交流故障線），SYSRESET（系統復位線），SYSFAIL（系統故障線）;系統時鐘線是獨立的頻率為16 MHz的時鐘信號，由位于1號槽的系統時鐘驅動模塊產生，可以作為整個系統的時間基準。另外3條信號線由l號槽的電源監控模塊產生。 3 系統接口設計方案 　　通常，設計多DSP局部總線與標準總線接口可以采用專業公司提供的接口控制芯片。例如，利用Cypress公司的VIC64橋接電路可以設計功能全面，具有完全的主模塊/從模塊功能的標準VME總線接口。但是如果用戶開發的基于VME總線的應用模塊僅作為從設備.那么就只需要具備從從模塊的總線接口，這樣就可以使用FPGA自行設計橋接電路，本設計結合系統需要，采用雙口RAM實現數據交換，FPGA實現接口邏輯轉換。接口設計方案如圖1所示。 　　圖1中DSP為Analog Devices公司TS101，4片TS101共享總線組成緊耦合系統。雙口RAM為Cypress公司的高速、大容量、低功耗芯片CY7C025AV，他的容量為32 kB，數據寬度為16 b，最高訪問速度達到80 MHz。FPGA為ALTERA公司的EPF10K30A。 　　雙口RAM的左端口與多DSP局部總線相連，局部總線的MS0連接雙口RAM的CEL（左端口使能），雙口RAM在多DSP局部總線的地址空間映射為0X8000000～0X8007FFF。雙口RAM的讀寫時序與普通存儲器相同，可以直接與局部總線相連，DSP可以通過慢速總線傳輸協議訪問雙口RAM的地址空間。雙口RAM的OEL（左端口輸出使能）和RWL（左端口讀寫使能）分別接局部總線的RD和W/R，左端口數據線（D0L～D15L）和地址線（A0L～A14L）也分別與局部總線的數據和地址線相連。 　　雙口RAM右端口和標準VME總線通信，由FPGA負責譯碼標準VME總線控制信號線產生接口控制邏輯，雙口RAM的右端口數據線（D0R～D15R）和地址線（A0R～A14R）通過總線驅動器74F16245驅動后和標準VME：總線的數據和地址線相連。74F16245的使能和傳輸方向信號由FPGA譯碼產生。 　　標準VME總線的控制信號線與FPGA連接，由于FPGA的I/O管腳可以兼容各種電平，所以VME的控制信號線可以直接與FPGA相連。 4 FPGA接口程序的設計 　　FPGA中的VME總線接口程序主要由2大模塊組成，一個模塊是VME主機對雙口RAM訪問的普通I/O模塊，該模塊主要實現標準VME總線訪問時序到雙口RAM訪問時序的邏輯轉換，VME總線地址譯碼和訪問模式譯碼，以及VME總線到雙口RAM的數據地址線驅動的邏輯控制。另一個模塊多DSP模板向VME主機發送中斷的中斷請求模塊，該模塊主要完成中斷信號的發送，主機發來的中斷認可的處理和向主機發送中斷狀態和識別碼。 　　4.1 普通I/O模塊的設計 　　普通I/O模塊的程序設計采用VHDL語言狀態機實現，整個過程分為5種狀態：idle（空閑狀態），selection（選中狀態），write（寫數據狀態），read（讀數據狀態）和answer（應答狀態）。 　　idle狀態表示本模塊沒有被VME主機訪問;selection狀態表示地址和模式譯碼已經選中本模塊，主機要訪問雙口RAM的地址空間;write狀態VME主機正在向雙口RAM寫入數據;read狀態表示VME主機正在從雙口RAM中讀出數據;answer表示本模塊響應訪問周期向VME主機發送數據傳輸應答。描述整個過程的狀態轉移圖如圖2所示。 　　 　　I/O模塊標準傳輸的過程描述為：idle狀態時，地址監測劃模塊應處于VME總線地址譯碼和訪問模式監測狀態，本模塊的訪問模式為A24-D16標準數據訪問模式。當VME主機輸出的地址和訪問模式與本模塊一致時，即輸入地址VA20～VA23為程序所設的地址，AM碼等于3A（H），LWORD為高，VA1為低和AS為低，地址監測模塊輸出“從模塊選中信號”，啟動了從模塊訪問，這時模塊進人selection狀態。 　　進入selection狀態后，程序監視DS0，1（數據選通信號）和WRITE（讀寫信號）。當DS0，DS1都為低，WRITE為高時，模塊進入read狀態;當DS0，DS1都為低，WRITE為低時，模塊進入write狀態。 　　當模塊處于read狀態時，FPGA置雙口RAM的CER為低使能雙口RAM，OER為低使能數據輸出，RWR為高關閉寫使能，使雙口RAM為數據輸出狀態。FPGA還要打開總線驅動使能，設置總線驅動方向，使VME地址總線為輸入，數據總線為輸出。 　　當模塊處于write狀態時，FPGA置雙口RAM的CER為低使能雙口RAM，RWR為低使能寫信號，OER為高關閉輸出數據使能，使雙口RAM為數據輸入狀態。FPGA還要打開總線驅動使能，設置總線驅動方向，使VME地址數據線都為輸入。 　　為了設置“讀應答使能”和“寫應答使能”，模塊在進入read（讀數據狀態）或write（寫數據狀態）后，都使能一個計數器計數。當計數器的計數值為某值時（此計數值可以用來調整讀寫周期的大小，本例中使用32 MHz時鐘時，計數值為1即可），分別置“讀應答使能”和“寫應答使能”有效，模塊進入answer（應答狀態）狀態。 　　在模塊進入an-swer后，程序置DTACK為低，向主機發送數據傳送應答。這樣，當主機向雙口RAM寫數據時，通知主機可以釋放總線;當主機從雙口RAM讀數據時，通知主機數據已經穩定可以鎖存數據。主機收到DTACK后釋放DS0，DS1為高，AS為高;模塊檢測到DS0，DS1為高，AS為高后，將DTACK置高，關閉雙口RAM使能和VME總線驅動，模塊進入idle（空閑狀態），一個標準的VME總線傳輸周期結束。 　　整個過程的仿真時序波形如圖3所示：圖中，“000”表示idle狀態，“001”表示selection狀態，“101”表示read狀態，“011”表示write狀態，“111”表示answer狀態。 　　 　　4.2 中斷請求模塊的設計 　　本模塊設計采用VHDL語言編寫程序，使用進程對中斷產生模塊的功能進行描述，即用進程中if-elsif-else語句來描述這個時序過程。 　　中斷模塊負責產生標準VME總線中斷，處理VME主機中斷管理模塊發來的中斷響應。程序設計了一個8位的內部寄存器VINT，用來控制中斷信號的產生，寄存器位VINT1～7對應IRQ1～7，控制VME總線中斷信號的產生和撤銷，VINT0作為發中斷使能位.當VINT0等于1時，程序檢查VINT1～7，置相應的中斷請求信號線IRQ1～7為低，便向監控該信號的VME主機中斷管理模塊發出了中斷請求。 　　中斷請求模塊發出中斷請求后，監控輸入信號IACK-IN和A1～3，等待VME主機中斷管理模塊發來的中斷響應。當檢測到IACKIN為低，即開始中斷號對照，檢測A1～3上的值是否和本模塊發出的中斷號一致，如果不一致就將驅動IACKOUT輸出菊花鏈為低，如果一致將該中斷的狀態/識別碼放到VD0～7上，當數據穩定后，驅動DTACK為低，通知VME主機中斷管理模塊取走中斷狀態識別碼，主機進入相應的中斷服務程序.即完成了從模塊VME總線中斷的發送和響應過程。 5 結 語 　　用VHDL語言實現了多DSP局部總線到標準VME總線普通I/O模塊和中斷請求模塊的設計，雙口RAM的存儲空間映射到工控機的存儲空間的地址為0XC0410000～0XC0413FFFC。使用32 MHz時鐘時.通信速率町達16 MB/s，能夠滿足雷達信號處理板到終端通信的要求。