基於pci和fpga的新型微機接口實驗平臺的製作方法

2023-05-20 04:16:56

專利名稱：基於pci和fpga的新型微機接口實驗平臺的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種微機接口實驗平臺，尤其是能夠讓學生自主設計、探索和創新的開放式多用途實驗平臺。本發明屬於微機接口技術和嵌入式系統領域。
背景技術：
傳統的微機原理與微機接口實驗多採用X86架構下16位的平臺，已經不能滿足當今技術發展和本專科及研究生教學與研究的需要。國外相關計算機課程，已採用通過HDL 語言來介紹硬體電路，輸入與輸出以及真值表，學生在學習傳統接口電路的同時，也學習了如何運用HDL語言設計接口電路邏輯。在已有的實驗平臺專利中，200620096822. 7武漢大學的嵌入式電子設計自動化多功能創新性實驗平臺，採用Altera公司的EP2C35F672 FPGA晶片和200710121373. 4清華大學的可編程片上系統實驗平臺，採用Cypress公司雙CY8C21001 FPGA晶片所設計的實驗， 都是通過JTAG下載邏輯設計到FPGA晶片，脫機運行實現FPGA直接控制I/O部件，此方式與微機接口實驗中採用的CPU通過接口晶片控制I/O的運行方式不相符，不適用於微機接口實驗。2006年碩士論文《基於PCI總線的微機接口技術實驗設備研製》中沒有用到FPGA 做接口晶片邏輯，它的實驗設備只能工作在DOS和Win98環境中，不支持C/C++編程。本發明通過總線橋接電路將PC機的PCI總線I/O讀寫時序轉換成ISA總線的I/O讀寫時序，接口晶片與FPGA晶片與ISA總線相連。PC機不僅可以對接口晶片(包括8255、8253、8251、 8259,8279等)進行讀/寫訪問，同時可對FPGA上的運用HDL語言編寫的接口邏輯組件 (如8253、8255的接口邏輯)進行讀/寫控制。在此基礎上可以實現對原有接口晶片的邏輯功能進行自定義的擴展設計。本發明採用「樂高」思想搭建平臺，總線橋接電路、接口晶片電路、FPGA晶片電路、外設電路通過排線跨接，能組成面向不同層次的實驗平臺，且易於維護與升級。

發明內容
本發明解決的技術問題是克服目前國內微機接口實驗平臺不支持接口晶片邏輯的編程與PC機在線編程，缺乏開展創新實驗條件，擴展性和維護性差的不足，提供一種新型開放式微機接口創新實驗平臺，能夠使學生深刻的理解微機接口實驗原理，開展自主的接口實驗電路設計，充分開拓學生的創造性，鍛鍊學生的研發能力和實際動手能力。本發明的解決方案是開放式微機接口創新性實驗平臺，其特點在於以開放性為設計原則，以使學生能實時直觀的了解實驗過程、輕鬆的進行電路設計與擴展為要求，以達到最大限度地發揮學生的創造性為目標，採用了總線(PCI總線與ISA總線)、多平臺(PC 平臺與FPGA平臺)、多模塊(接口晶片模塊和IO模塊)的架構，PC機通過PCI/ISA橋接卡與實驗平臺相連，將PC機的PCI總線I/O讀寫時序轉換成ISA總線的I/O讀寫時序，可以直接對實驗平臺上的所有晶片(包括FPGA中的仿真接口邏輯組件)進行讀寫控制，實現PC機在線編程與調試。同時PC機也可以通過FPGA配置電路與FPGA相連對其進行配置，在 FPGA晶片上實現多種接口晶片電路的邏輯組合。核心電路作為接口晶片區，主要包括接口晶片組和FPGA晶片，FPGA與接口晶片組可以相互通信。外設電路包括LED撥碼開關模塊， 數碼管模塊，鍵盤區，直流電機，步進電機，AD，DA模塊，揚聲器模塊，時鐘模塊，電源模塊。以上外設模塊可以被FPGA晶片與接口晶片組訪問。本發明的工作原理是新型開放式微機接口創新實驗平臺以「微型計算機接口技術與應用」、「微機計算機原理」等課程的配套教學實驗為主，兼顧通用的軟硬實現手段，密切結合課程要求和實際應用研發而成，可完成多種16位/32位微機接口的實驗。實驗平臺採用PCI/ISA總線橋接技術，PC機可以直接通過I/O讀寫命令來控制實驗平臺上各個接口晶片和FPGA晶片中的仿真接口邏輯組件，最後在外設上驗證實驗結果。實驗平臺提供基於 8255,8253接口晶片邏輯的由Verilog語言實現的參考設計。另外，還可在FPGA中安裝不同的CPU邏輯組件(如PowerPC、MicroBlaze、8051等IP核)，與實驗平臺上的接口晶片和 I/O電路組成不同架構下的嵌入式實驗環境，供教學和實踐活動中靈活選擇。本發明提供的基於PCI和FPGA的新型微機接口實驗平臺，基於總線、多平臺和多模塊架構，實驗平臺由總線橋接電路、接口核心電路和外設電路組成，接口核心電路包括接口晶片組和可編程接口邏輯組件，外設電路包括LED與撥碼開關模塊、數碼管模塊、揚聲器模塊、步進電機、時鐘模塊、AD/DA模塊、鍵盤模塊、直流電機，外設電路分別與接口核心電路經排線相連接，總線橋接電路一端與接口核心電路經排線連接，另一端與外設計算機用橋接的方式連接，另外接口核心電路通過FPGA配置接口電路與外設計算機連接。優選的，上述總線橋接電路為PCI/ISA總線橋接電路，由PCI9052、93CS56L、 M4A5-192/96、AS7C256、74HC245、32MHz 晶振組成，PCI9052 是橋接晶片，93CS56L 用於存放 PCI9052初始化設置信息，M4A5-192/96實現邏輯功能，AS7C256作為儲存器，74HC245作為電源驅動。優選的，上述在開發板上還提供了一個PCI總線擴展插座，提供8位和16位，32位的總線寬度，用於重新定義總線寬度，10、MEMORY地址空間和中斷方式。優選的，上述接口晶片組包括8255、8253、8251、8279、8259 ；所述可編程接口邏輯組件建立在FPGA平臺上，在XILINX的SPARTAN-3E-XC3S250EFPGA晶片上編程實現，FPGA用 JTAG連接PC上位機，用排線和外設電路連接，供電採用電源轉換模塊將PCI上的+5V電源轉換為+3. 3V。優選的，上述接口核心電路通過ISA總線和總線橋接電路連接。優選的，上述多模塊包括接口晶片模塊和IO模塊，I/O模塊電路通過排線形式與接口核心電路相連。優選的，上述I/O模塊組件、接口組件、FPGA組件和PCI/ISA組件之間都採用排線方式連接。本發明的技術特點及有益效果(1)以總線(PCI總線與ISA總線)、多平臺(PC平臺與FPGA平臺)、多模塊(接口晶片模塊和I/O模塊)架構的模塊化設計、外圍豐富的硬體資源，大大提高了平臺的開放性，可以在不同的嵌入式環境下進行接口實驗。另外，可以結合EDK技術學習PCI/ISA總線及Linux環境下設備驅動程序的編寫，實現在不改變硬體電路情況下的功能擴展和二次開發。(2)實驗平臺採用橋接的方式與PC機相連，與傳統的用單片機主控以及串口通信的接口平臺相比，PC機可以通過PCI/ISA總線時序的轉換對實驗平臺上的晶片進行讀寫， 具有更強的實時性與靈活性，穩定性好，且有大量的地址空間用於控制多個接口晶片和I/ 0晶片，使得實驗具有更大的靈活性、實時性，學生可以很直觀的了解接口晶片的工作方式。 而且在橋接卡上，有配套的PCI/ISA總線接口實驗，學生也可以進行總線工作機制的學習。(3)實驗平臺採用XILINX的Spatan-3系列晶片，並為之設計了基於8255，8253接口晶片邏輯的由Verilog語言實現的參考程序，使學生更好的掌握接口晶片邏輯的軟體設計方法，同時可以通過修改FPGA的配置設計出複雜的邏輯電路。(4)實驗平臺具有多種工作模式，適用於不同程度的教學。PC機控制傳統接口晶片，可以進行傳統的16位微機接口技術教學。PC機控制FPGA晶片中的接口晶片邏輯，實現片上接口實驗。另外，用FPGA的軟核模擬不同的CPU邏輯，實現脫離PC機的嵌入式環境下接口技術實驗。最後學生還可以對FPGA晶片自主配置，靈活的設計接口電路。(5)該發明能夠開設豐富的與實際工程緊密結合的開放性，研究性，軟硬體相結合的實驗，涵蓋了《微型計算機接口技術及應用》的大部分知識點，並涉及《數字電路》、《組成原理》、《計算機體系結構》、((EDA設計》、《嵌入式系統》、((Linux作業系統》等課程內容。提供了大量實驗所需的基本硬體電路，學生可以用其進行綜合實驗。(6)該發明在滿足常規的微機接口技術和相關課程教學要求的同時，還可以使學生用VHDL或Verilog語言，以可編程邏輯器件作為硬體載體、EDA軟體為開發環境實現設計意圖。實驗平臺採用總線連接方式，擴展十分方便，可以同時用於學生的課程設計、畢業設計和電子競賽。(7)實驗平臺基於「樂高」思想搭建，I/O組件、接口組件、FPGA組件、PCI/ISA組件間都採用排線方式連接，便於部件的更新和功能的擴展，實現面向不同層次的實驗。實驗平臺各晶片之間都設有電壓轉換和電源保護，具有很好穩定性。


圖1是本發明結構示意圖； 圖2是本發明FPGA的電路原理圖； 圖3. 1是本發明PCI轉接卡的總線接口的連接原理圖； 圖3. 2是本發明PCI轉接卡的PCI9052橋接晶片原理圖； 圖3. 3是本發明PCI轉接卡的ISA總線接口原理圖； 圖3. 4是是本發明PCI轉接卡的74HCM5電源驅動原理圖； 圖4是本發明LED與撥碼開關模塊電路原理圖； 圖5是本發明數碼管模塊電路原理圖； 圖6是本發明揚聲器模塊電路原理圖； 圖7是本發明步進電機模塊電路原理圖； 圖8是本發明步直流電機模塊電路原理圖； 圖9是本發明鍵盤模塊電路原理圖； 圖10是本發明AD模塊電路原理圖11是本發明DA模塊電路原理圖；圖12是本發明時鐘模塊電路原理圖。
具體實施例方式為了便於本領域普通技術人員理解和實施本發明，下面結合附圖及具體實施方式
對本發明作進一步的詳細描述。如圖1所示，本發明主要由高級實驗區，核心板區和外圍實驗區三大部分組成，高級實驗區包括PCI，ISA接口，橋接晶片，存儲器；核心板區包括8253，8255，8251，8279，8259 傳統接口晶片和FPGA ；外圍實驗區除包括LED與撥碼開關模塊、數碼管模塊、揚聲器模塊、 步進電機、直流電機、鍵盤模塊、AD/DA模塊、時鐘模塊。如圖2所示，FPGA為XILINX的XC3S250E，用JTAG連接PC上位機，用排線和外設區連接，供電採用電源轉換模塊將PCI上的+5V電源轉換為+3. 3V，用6芯排線連接FPGA配置電路，分別是TMS、TCK、TDI、TDO、GND和VCC，並通過ISE軟體來完成數字邏輯電路設計。 如圖所示引腳I0_L01P_3至引腳I0_L10P_0，引腳IPl至IP18引出供用戶使用，IP表示輸入埠，IO表示輸入輸出雙向埠，引腳IP_L06P_0/GCLK8至I0_L05P_0/GCLK7是時鐘埠，部分能做輸入或者輸入輸出雙向埠。如圖3. 1、圖 3. 2、圖 3. 3、圖 3. 4 所示，PCI 由 PCI9052、93CS56L、M4A5-192/96、 AS7C256、74HC245、32MHz晶振組成。PCI9052是PLX公司的PCI90XX系列晶片中的一款橋晶片(其硬體與PCI9050相兼容)，93CS56L (EERPOM)用於存放PCI9052初始化設置信息，在開發板上還提供了一個PCI總線擴展插座，可提供8位和16位，32位的總線寬度， M4A5-192/96實現邏輯功能，AS7C256作為儲存器，圖3. 4是74HC245作為電源驅動原理圖。 PCI轉接板連接PC和接口晶片組，並為FPGA提供+5V電源。PC機的PCI讀寫時序通過圖 3. IPCI總線接口與圖3. 2PCI9052橋接晶片相連，PCI9052晶片將PCI總線讀寫時序轉換為 ISA總線讀寫時序送入圖3.3ISA總線接口。如圖4所示，LED與撥碼開關模塊電路結構圖，74LS245晶片的傳輸方向管腳接地， 其設置為單向傳輸方式，74LS24晶片的輸入端和8255晶片的，亦可以和FPGA的I/O埠連接，輸出端分別和LED數碼管的段數據和位數據連接。如圖5所示，數碼管模塊由兩個四位一體的LED數碼管、74LS138晶片、74LS245晶片構成，74LS138分別接8255的PA、PB和PC三個埠完成解碼，74LS245晶片的傳輸方向管腳接地，其設置為單向傳輸方式，數碼管的列由8255的PA，PB控制，行由74LS245和8255 的PC控制，也可以和FPGA連接，由FPGA軟核控制。如圖6所示，揚聲器模塊電路使用LM386功放晶片，其輸入GCtrl和S0ut2可以和接口晶片組連接，也可以和FPGA的I/O埠連接。如圖7所示，步進電機模塊，標號STA，STB, STC, STD, STK的輸入通過64芯的排線掛接在總線上。如圖8所示，直流電機模塊，AOUT接AD 0809的INO用於直流調壓輸出，總線JXO 接0809單元總線JX6，總線JX17接DA0832單元總線JX2，電控制端DJ接DA0832單元A0UT。如圖9所示，鍵盤模塊由4*4個按鍵組成的編碼鍵盤和74LS138晶片構成， 74LS138的輸連接8255的PA、PB和PC，輸出為SRO，SR1，SR2，SR3控制鍵盤的行，列由RCO，
6RCl，RC2，RC3控制，RC連接至沈芯排線，可以分別由8255晶片和FPGA控制。如圖10所示，AD模塊採用AD0809晶片，AD0809是CMOS的8位模/數轉換器，採用逐次逼近原理進行A/D轉換，晶片內有模擬多路轉換開關和A/D轉換兩大部分，可對8路 0 5V的輸入模擬電壓信號分時進行轉換。模擬多路開關由8路模擬開關和3位地址鎖存解碼器組成，可選通8路模擬輸入中的任何一路，地址鎖存信號ALE將3位地址信號ADDA、 ADDB、ADDC進行鎖存，然後由解碼電路選通其中的一路，被選中的通道進行A/D轉換。A/D 轉換部分包括比較器、逐次逼近寄存器(SAR)、256R電阻網絡、樹狀電子開關、控制與時序電路等。另外ADC0809輸出具有TTL三態鎖存緩衝器，可直接連到CPU數據總線上。如圖11所示，DA模塊採用DA0832晶片，它由一個8位輸入寄存器，一個8位DAC 寄存器和一個8位D/A轉換器三部分組成。在D/A轉換器中採用R-2R電阻網絡。LE信號為每個輸入寄存器的內部控制信號，當LE = 1時，接收輸入數據；當LE = 0時，內部鎖存數據。如圖12所示，時鐘模塊提供0. 25M、0. 5M、1M、1. 19318M和2M的信號，並可以直接為接口晶片組提供時鐘或接入FPGA進行處理生成任意所需時鐘。以上所述，僅是用以說明本發明的具體實施案例而已，並非用以限定本發明的可實施範圍，舉凡本領域熟練技術人員在未脫離本發明所指示的精神與原理下所完成的一切等效改變或修飾，仍應由本發明權利要求的範圍所覆蓋。
權利要求
1.一種基於PCI和FPGA的新型微機接口實驗平臺，基於總線、多平臺和多模塊架構，其特徵在於所述實驗平臺由總線橋接電路、接口核心電路和外設電路組成，接口核心電路包括接口晶片組和可編程接口邏輯組件，外設電路包括LED與撥碼開關模塊、數碼管模塊、揚聲器模塊、步進電機、時鐘模塊、AD/DA模塊、鍵盤模塊、直流電機，外設電路分別與接口核心電路經排線相連接，總線橋接電路一端與接口核心電路經排線連接，另一端與外設計算機用橋接的方式連接，另外接口核心電路通過FPGA配置接口電路與外設計算機連接。
2.根據權利要求1所述的基於PCI和FPGA的新型微機接口實驗平臺，其特徵在於所述總線橋接電路為PCI/ISA總線橋接電路，由PCI9052、93CS56L、M4A5-192/96、AS7C256、 74HC245,32MHz晶振組成，PCI9052是橋接晶片，93CS56L用於存放PCI9052初始化設置信息，M4A5-192/96實現邏輯功能，AS7C256作為儲存器，74HC245作為電源驅動。
3.根據權利要求2所述的基於PCI和FPGA的新型微機接口實驗平臺，其特徵在於所述在開發板上還提供了一個PCI總線擴展插座，提供8位和16位，32位的總線寬度，用於重新定義總線寬度，10、MEMORY地址空間和中斷方式。
4.根據權利要求1所述的基於PCI和FPGA的新型微機接口實驗平臺，其特徵在於所述接口晶片組包括8255、8253、8251、8279、8259 ；所述可編程接口邏輯組件建立在FPGA平臺上，在XILINX的SPARTAN-3E-)(C3S250EFPGA晶片上編程實現，FPGA用JTAG連接PC上位機，用排線和外設電路連接，供電採用電源轉換模塊將PCI上的+5V電源轉換為+3. 3V。
5.根據權利要求1所述的基於PCI和FPGA的新型微機接口實驗平臺，其特徵在於所述接口核心電路通過ISA總線和總線橋接電路連接。
6.根據權利要求1所述的基於PCI和FPGA的新型微機接口實驗平臺，其特徵在於所述多模塊包括接口晶片模塊和IO模塊，I/O模塊電路通過排線形式與接口核心電路相連。
7.根據權利要求1-6之一所述的基於PCI和FPGA的新型微機接口實驗平臺，其特徵在於所述I/O模塊組件、接口組件、FPGA組件和PCI/ISA組件之間都採用排線方式連接。
全文摘要
本發明基於總線(PCI總線與ISA總線)、多平臺(PC機平臺與嵌入式平臺)、多模塊(接口晶片模塊和IO模塊)架構，它主要由總線橋接電路，接口核心電路和外設電路區三大部分組成，總線橋接電路包括PCI轉ISA接口，橋接晶片，存儲器，電源驅動；接口核心電路包括FPGA晶片和8253，8255，8252，8279，8259接口晶片；外設電路包括LED與撥碼開關模塊、數碼管模塊、揚聲器模塊、步進電機、直流電機、鍵盤模塊、AD/DA模塊、時鐘模塊。實驗平臺的3個組成部分分別通過總線相連。本發明除能夠完成16位或32位微機原理及接口技術課程實驗外，還可以進行接口晶片邏輯設計及其功能擴展實驗，並可用於其他課程實驗以及課程設計、專業實訓、畢業設計和電子競賽。
文檔編號G09B23/18GK102289974SQ201110236049
公開日2011年12月21日 申請日期2011年8月17日 優先權日2011年8月17日
發明者張皓月, 朱順安, 楊喜敏, 汪紅, 王文濤 申請人:中南民族大學