采用ARM EP9315处理器实现P0104总线的应用方案
前言
目前的arm处理器已经适合应用于数控系统。arm处理器的成本低而且种类多。主频能够满足数控领域需求而且功耗比较低，无需使用风扇，提高了系统的可靠性。带有mmu的arm处理器支持数控软件所需要的linux操作系统，能够充分利用现有的数控软件资源。随着arm处理器和fpga的快速发展．给数控系统的设计提供了新的解决方案。arm处理器用作系统的核心，可编程fpga器件作为运动控制器。同时fpga器件提供数控系统i/o等其它辅助电路。
随着pc/104成为工业控制领域的标准，已经被ieee协会定义为ieee-p996.1，pc/104总线提供的信号跟isa总线一样，但是前者的机械规格不仅易于扩充而且更加坚同，适合应用于数控系统。但是这种总线结构是在intel的x86体系结构上发展而来，目前x86对pc/104的支持比较好，而arm对pc/104的支持还不完全统一，主要由于arm和x86在体系结构、总线时序、电气特性以及指令集等方面的差异。而且不同的数控系统所需要的总线信号也不完全一样。本文将提出一种基于arm处理器的数控系统上支持p0104总线的方案。
1 系统总体设计
数控系统中的arm处理器采用cirrus logic的ep9315处理器，用ep9315的一个片选（ngcs3_phbase 0x30000000）作为pc104的地址范围，用地址addr24来控制memory和10的方式的读写；用另一个片选（ngcs1_phbase 0x10000000）来查询pc104的中断号，当pc104有中断的时候，用一个中断通知cpu，然后cpu通过ngcs1这个地址来读中断号，判断出11个pcil04中断源中来自哪个中断。由于ep9315和cpld在制作工艺、电气性能上与pc/104总线有比较大的差别．因此需要使用74lvth16245作为3.3-5v电气转换buffer用来调整电平模式。cpld是基于乘积项的可编程逻辑器件．cpld内部采用固定长度线连接各个逻辑块，因此具有较大的时间可预测性，引脚到引脚的延迟几乎是固定的，与逻辑设计无关，因此适合作为pc/104总线控制器。这里使用altera的epm7032用作pc/104总线控制器，用来完成ep9315读写时序向pc/104总线读写时序的转换。ep9315的数据总线和地址总线连到电平转换buffer，输出到pc/104总线上。因此pc/104总线设计的核心是保证epm7032有正确的读写时序。原理图如图1所示：
图1 原理框图
2 pc/104总线控制器的实现
pc/104 总线介绍
pc/104采用模块化设计方法．通过自堆叠总线，省去了对底板或板卡插槽的要求。通过将多数信号的总线驱动电流减小至4ma．将元件数量和功耗降到最低。模块的104个信号线分布在两个总线连接器上，p1连接器有64个信号引脚，p2连接器有40个信号引脚。与isa总线相比，pc/104总线将板卡的长宽比降至3．775英寸比3．550英寸（即96mm比90mm），克服了isa总线机械规格的缺点。pc/104总线与pc/at总线兼容，也定义了两种工作模式一8位和16位数据模式。对于8位数据模式，总线信号由板上的64引脚双排插座p1/j1提供，对于16位模式，增加了40引脚双排插座p2/j2。
arm ep9315处理器介绍
ep9315处理器是cirrus logic推出的一款基于arm920t内核的risc处理器，主要面向工业计算机和手持设备等等。arm920t是harvard体系结构处理器，由arm920tdmi、存储管理单元（mmu）和高速缓存3部分组成。有独立的16位指令cache和数据cache。arm920t有5级流水线。ep9315工作频率为200m hz，集成了2d图形加速器和协处理器，以及丰富的外设接口例如ide控制器和pcmcla控制器等，即使不使用额外的dsp芯片也能够支持相当多的外设。ep9315支持linux。microsofi windows ce等操作系统。
pc/104总线控制器的设计
控制器的cpld设计采用altera公司的epm7032．属于max7000可编程器件系列。max7000系列是高密度、高性能的cpld，采用了altera的第二代max架构，采用浮栅eeprom设计。结构如图2所示：
图2 epm7032的结构
结构中包括逻辑阵列模块（lab）组成的阵列、可编程互连阵列口（pla）和可编程i/o模块阵列。每个lab包括36个输入端、16个输出端和16个宏单元，每个宏单元包括处理组合和时序运算的组合逻辑和触发器。pia作为全局总线提供了多重lab、专用输入端和i/o引脚之间的连接。pia为逻辑单元的输出和lab的输入提供了包括预计定时的完整连接。器件可以工作在3．3v。pin—to—pin的延迟tpd=6ms，工作频率可达151．5mhz，能够与ep9315的amba总线时钟频率相匹配。epm7032支持多种设计输入，除原理图外还可以通过vhdl veriiog hdl和altera hardware description language （ahdl）。verilog hdl语言是一种硬件描述语言，能形式化地抽象描述电路的结构和行为，支持逻辑设计中层次与领域的描述，具有电路仿真与验证机制以保证设计的正确性，用于算法级、门级和开关级的建模。开发环境使用altera的max+plus。
总线控制器的实现与仿真
在pc/104总线内部，用一个信号int1查询相关的中断信号，使用片选信号cs3和地址信号laddr24和读写信号wr、rd选择mem或者10的读写方式。相关代码如下：
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部分仿真结果如图3所示。从波形上可以看出inti能够检测出中断产生，能够检测到mem和i/o读写请求。总线控制器把这些信号输入到arm处理器，完成对pc/109总线读写的控制。
图3 读写时序仿真波形
3 linux下的pc/104总线驱动程序的设计
在linux中，由于有设备文件，所以才能使得用户非常方便的访问外部设备，linux系统为外部设备提供一种标准接口，将外部设备视为一种特殊文件，可以像访问文件一样访问一个外部设备。linux通常将设备分为i种基本类型：字符设备、块设备和网络设备。在基于arm处理器的数控系统中把pc/104总线看作块设备。下面是pc/104代码的说明：
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）；
两部分比较主要一部分是初始化smcbcr1和smcbcr3。另一部分是：一个是pc/104的基地址，另一个是读pc/104中断的基地址。这两个要在初始化时就要给定：
ngcs1_vbase=ioremap（（ngcs_phbase），2）；
ngcs3_vbase=ioremap（（ngcs3_phbase+baseaddr+laddr24），256）；
其中ugcs1_vbase为读中数的ngcs3_vbase为pc/104mem的基地址。用操作系统担供的函数outl、inl可操作寄存器。
4 结语
本文创新点：提出一种基于arm ep9315处理器的数控系统上支持pc/104总线的方案．主要描述了arm数控系统中的pc/104总线控制器的设计与实现，使用cpld和verilog hdl语言。实现了ep9315对pc/104总线读写信号的控制和中断处理。完成了linux下的pc/104总线控制器的驱动程序．提供了基于arm处理器的数控系统的pc/104总线解决方法．弥补了arm处理器对于pc/104总线的支持不足缺点，使得arm处理器能够更广泛的应用于数控领域。
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图1 原理框图
2 pc/104总线控制器的实现
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pc/104采用模块化设计方法．通过自堆叠总线，省去了对底板或板卡插槽的要求。通过将多数信号的总线驱动电流减小至4ma．将元件数量和功耗降到最低。模块的104个信号线分布在两个总线连接器上，p1连接器有64个信号引脚，p2连接器有40个信号引脚。与isa总线相比，pc/104总线将板卡的长宽比降至3．775英寸比3．550英寸（即96mm比90mm），克服了isa总线机械规格的缺点。pc/104总线与pc/at总线兼容，也定义了两种工作模式一8位和16位数据模式。对于8位数据模式，总线信号由板上的64引脚双排插座p1/j1提供，对于16位模式，增加了40引脚双排插座p2/j2。
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图2 epm7032的结构
结构中包括逻辑阵列模块（lab）组成的阵列、可编程互连阵列口（pla）和可编程i/o模块阵列。每个lab包括36个输入端、16个输出端和16个宏单元，每个宏单元包括处理组合和时序运算的组合逻辑和触发器。pia作为全局总线提供了多重lab、专用输入端和i/o引脚之间的连接。pia为逻辑单元的输出和lab的输入提供了包括预计定时的完整连接。器件可以工作在3．3v。pin—to—pin的延迟tpd=6ms，工作频率可达151．5mhz，能够与ep9315的amba总线时钟频率相匹配。epm7032支持多种设计输入，除原理图外还可以通过vhdl veriiog hdl和altera hardware description language （ahdl）。verilog hdl语言是一种硬件描述语言，能形式化地抽象描述电路的结构和行为，支持逻辑设计中层次与领域的描述，具有电路仿真与验证机制以保证设计的正确性，用于算法级、门级和开关级的建模。开发环境使用altera的max+plus。
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在pc/104总线内部，用一个信号int1查询相关的中断信号，使用片选信号cs3和地址信号laddr24和读写信号wr、rd选择mem或者10的读写方式。相关代码如下：
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部分仿真结果如图3所示。从波形上可以看出inti能够检测出中断产生，能够检测到mem和i/o读写请求。总线控制器把这些信号输入到arm处理器，完成对pc/109总线读写的控制。
图3 读写时序仿真波形
3 linux下的pc/104总线驱动程序的设计
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ngcs1_vbase=ioremap（（ngcs1_phbase）．2）；
ngcs3_vbase=ioremap（（ngcs3_phbase+baseaddr+laddr24），256）；
config=inl（smcbcr1）；
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outl（config，smcbcr1）；
config=inl（smcbcr1）；
config=inl（smcbcr3）；
config &=0xcfffffff； //set ngcs3 8-bit
eonfig 1=0x0000fbe0；
outl（config，smcbcr3）；
config=ini（smcbcr3）；
两部分比较主要一部分是初始化smcbcr1和smcbcr3。另一部分是：一个是pc/104的基地址，另一个是读pc/104中断的基地址。这两个要在初始化时就要给定：
ngcs1_vbase=ioremap（（ngcs_phbase），2）；
ngcs3_vbase=ioremap（（ngcs3_phbase+baseaddr+laddr24），256）；
其中ugcs1_vbase为读中数的ngcs3_vbase为pc/104mem的基地址。用操作系统担供的函数outl、inl可操作寄存器。
4 结语
本文创新点：提出一种基于arm ep9315处理器的数控系统上支持pc/104总线的方案．主要描述了arm数控系统中的pc/104总线控制器的设计与实现，使用cpld和verilog hdl语言。实现了ep9315对pc/104总线读写信号的控制和中断处理。完成了linux下的pc/104总线控制器的驱动程序．提供了基于arm处理器的数控系统的pc/104总线解决方法．弥补了arm处理器对于pc/104总线的支持不足缺点，使得arm处理器能够更广泛的应用于数控领域。
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