CN102289974A

CN102289974A - 基于pci和fpga的新型微机接口实验平台

Info

Publication number: CN102289974A
Application number: CN2011102360493A
Authority: CN
Inventors: 王文涛; 朱顺安; 张皓月; 汪红; 杨喜敏
Original assignee: South Central University for Nationalities
Current assignee: South Central Minzu University
Priority date: 2011-08-17
Filing date: 2011-08-17
Publication date: 2011-12-21

Abstract

本发明基于总线(PCI总线与ISA总线)、多平台(PC机平台与嵌入式平台)、多模块(接口芯片模块和IO模块)架构，它主要由总线桥接电路，接口核心电路和外设电路区三大部分组成，总线桥接电路包括PCI转ISA接口，桥接芯片，存储器，电源驱动；接口核心电路包括FPGA芯片和8253，8255，8252，8279，8259接口芯片；外设电路包括LED与拨码开关模块、数码管模块、扬声器模块、步进电机、直流电机、键盘模块、AD/DA模块、时钟模块。实验平台的3个组成部分分别通过总线相连。本发明除能够完成16位或32位微机原理及接口技术课程实验外，还可以进行接口芯片逻辑设计及其功能扩展实验，并可用于其他课程实验以及课程设计、专业实训、毕业设计和电子竞赛。

Description

基于PCI和FPGA的新型微机接口实验平台

技术领域

本发明涉及一种微机接口实验平台，尤其是能够让学生自主设计、探索和创新的开放式多用途实验平台。本发明属于微机接口技术和嵌入式系统领域。

背景技术

传统的微机原理与微机接口实验多采用X86架构下16位的平台，已经不能满足当今技术发展和本专科及研究生教学与研究的需要。国外相关计算机课程，已采用通过HDL语言来介绍硬件电路，输入与输出以及真值表，学生在学习传统接口电路的同时，也学习了如何运用HDL语言设计接口电路逻辑。

在已有的实验平台专利中，200620096822.7武汉大学的嵌入式电子设计自动化多功能创新性实验平台，采用Altera公司的EP2C35F672 FPGA芯片和200710121373.4清华大学的可编程片上系统实验平台，采用Cypress公司双CY8C21001 FPGA芯片所设计的实验，都是通过JTAG下载逻辑设计到FPGA芯片，脱机运行实现FPGA直接控制I/O部件，此方式与微机接口实验中采用的CPU通过接口芯片控制I/O的运行方式不相符，不适用于微机接口实验。

2006年硕士论文《基于PCI总线的微机接口技术实验设备研制》中没有用到FPGA做接口芯片逻辑，它的实验设备只能工作在DOS和Win98环境中，不支持C/C++编程。本发明通过总线桥接电路将PC机的PCI总线I/O读写时序转换成ISA总线的I/O读写时序，接口芯片与FPGA芯片与ISA总线相连。PC机不仅可以对接口芯片(包括8255、8253、8251、8259、8279等)进行读/写访问，同时可对FPGA上的运用HDL语言编写的接口逻辑组件(如：8253、8255的接口逻辑)进行读/写控制。在此基础上可以实现对原有接口芯片的逻辑功能进行自定义的扩展设计。本发明采用“乐高”思想搭建平台，总线桥接电路、接口芯片电路、FPGA芯片电路、外设电路通过排线跨接，能组成面向不同层次的实验平台，且易于维护与升级。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服目前国内微机接口实验平台不支持接口芯片逻辑的编程与PC机在线编程，缺乏开展创新实验条件，扩展性和维护性差的不足，提供一种新型开放式微机接口创新实验平台，能够使学生深刻的理解微机接口实验原理，开展自主的接口实验电路设计，充分开拓学生的创造性，锻炼学生的研发能力和实际动手能力。

本发明的解决方案是：开放式微机接口创新性实验平台，其特点在于：以开放性为设计原则，以使学生能实时直观的了解实验过程、轻松的进行电路设计与扩展为要求，以达到最大限度地发挥学生的创造性为目标，采用了总线(PCI总线与ISA总线)、多平台(PC平台与FPGA平台)、多模块(接口芯片模块和IO模块)的架构，PC机通过PCI/ISA桥接卡与实验平台相连，将PC机的PCI总线I/O读写时序转换成ISA总线的I/O读写时序，可以直接对实验平台上的所有芯片(包括FPGA中的仿真接口逻辑组件)进行读写控制，实现PC机在线编程与调试。同时PC机也可以通过FPGA配置电路与FPGA相连对其进行配置，在FPGA芯片上实现多种接口芯片电路的逻辑组合。核心电路作为接口芯片区，主要包括接口芯片组和FPGA芯片，FPGA与接口芯片组可以相互通信。外设电路包括LED拨码开关模块，数码管模块，键盘区，直流电机，步进电机，AD，DA模块，扬声器模块，时钟模块，电源模块。以上外设模块可以被FPGA芯片与接口芯片组访问。

本发明的工作原理是：新型开放式微机接口创新实验平台以“微型计算机接口技术与应用”、“微机计算机原理”等课程的配套教学实验为主，兼顾通用的软硬实现手段，密切结合课程要求和实际应用研发而成，可完成多种16位/32位微机接口的实验。实验平台采用PCI/ISA总线桥接技术，PC机可以直接通过I/O读写命令来控制实验平台上各个接口芯片和FPGA芯片中的仿真接口逻辑组件，最后在外设上验证实验结果。实验平台提供基于8255，8253接口芯片逻辑的由Verilog语言实现的参考设计。另外，还可在FPGA中安装不同的CPU逻辑组件(如：PowerPC、MicroBlaze、8051等IP核)，与实验平台上的接口芯片和I/O电路组成不同架构下的嵌入式实验环境，供教学和实践活动中灵活选择。

本发明提供的基于PCI和FPGA的新型微机接口实验平台，基于总线、多平台和多模块架构，实验平台由总线桥接电路、接口核心电路和外设电路组成，接口核心电路包括接口芯片组和可编程接口逻辑组件，外设电路包括LED与拨码开关模块、数码管模块、扬声器模块、步进电机、时钟模块、AD/DA模块、键盘模块、直流电机，外设电路分别与接口核心电路经排线相连接，总线桥接电路一端与接口核心电路经排线连接，另一端与外设计算机用桥接的方式连接，另外接口核心电路通过FPGA配置接口电路与外设计算机连接。

优选的，上述总线桥接电路为PCI/ISA总线桥接电路，由PCI9052、93CS56L、M4A5-192/96、AS7C256、74HC245、32MHz晶振组成，PCI9052是桥接芯片，93CS56L用于存放PCI9052初始化设置信息，M4A5-192/96实现逻辑功能，AS7C256作为储存器，74HC245作为电源驱动。

优选的，上述在开发板上还提供了一个PCI总线扩展插座，提供8位和16位，32位的总线宽度，用于重新定义总线宽度，IO、MEMORY地址空间和中断方式。

优选的，上述接口芯片组包括8255、8253、8251、8279、8259；所述可编程接口逻辑组件建立在FPGA平台上，在XILINX的SPARTAN-3E-XC3S250EFPGA芯片上编程实现，FPGA用JTAG连接PC上位机，用排线和外设电路连接，供电采用电源转换模块将PCI上的+5V电源转换为+3.3V。

优选的，上述接口核心电路通过ISA总线和总线桥接电路连接。

优选的，上述多模块包括接口芯片模块和IO模块，I/O模块电路通过排线形式与接口核心电路相连。

优选的，上述I/O模块组件、接口组件、FPGA组件和PCI/ISA组件之间都采用排线方式连接。

本发明的技术特点及有益效果

(1)以总线(PCI总线与ISA总线)、多平台(PC平台与FPGA平台)、多模块(接口芯片模块和I/O模块)架构的模块化设计、外围丰富的硬件资源，大大提高了平台的开放性，可以在不同的嵌入式环境下进行接口实验。另外，可以结合EDK技术学习PCI/ISA总线及Linux环境下设备驱动程序的编写，实现在不改变硬件电路情况下的功能扩展和二次开发。

(2)实验平台采用桥接的方式与PC机相连，与传统的用单片机主控以及串口通信的接口平台相比，PC机可以通过PCI/ISA总线时序的转换对实验平台上的芯片进行读写，具有更强的实时性与灵活性，稳定性好，且有大量的地址空间用于控制多个接口芯片和I/O芯片，使得实验具有更大的灵活性、实时性，学生可以很直观的了解接口芯片的工作方式。而且在桥接卡上，有配套的PCI/ISA总线接口实验，学生也可以进行总线工作机制的学习。

(3)实验平台采用XILINX的Spatan-3系列芯片，并为之设计了基于8255，8253接口芯片逻辑的由Verilog语言实现的参考程序，使学生更好的掌握接口芯片逻辑的软件设计方法，同时可以通过修改FPGA的配置设计出复杂的逻辑电路。

(4)实验平台具有多种工作模式，适用于不同程度的教学。PC机控制传统接口芯片，可以进行传统的16位微机接口技术教学。PC机控制FPGA芯片中的接口芯片逻辑，实现片上接口实验。另外，用FPGA的软核模拟不同的CPU逻辑，实现脱离PC机的嵌入式环境下接口技术实验。最后学生还可以对FPGA芯片自主配置，灵活的设计接口电路。

(5)该发明能够开设丰富的与实际工程紧密结合的开放性，研究性，软硬件相结合的实验，涵盖了《微型计算机接口技术及应用》的大部分知识点，并涉及《数字电路》、《组成原理》、《计算机体系结构》、《EDA设计》、《嵌入式系统》、《Linux操作系统》等课程内容。提供了大量实验所需的基本硬件电路，学生可以用其进行综合实验。

(6)该发明在满足常规的微机接口技术和相关课程教学要求的同时，还可以使学生用VHDL或Verilog语言，以可编程逻辑器件作为硬件载体、EDA软件为开发环境实现设计意图。实验平台采用总线连接方式，扩展十分方便，可以同时用于学生的课程设计、毕业设计和电子竞赛。

(7)实验平台基于“乐高”思想搭建，I/O组件、接口组件、FPGA组件、PCI/ISA组件间都采用排线方式连接，便于部件的更新和功能的扩展，实现面向不同层次的实验。实验平台各芯片之间都设有电压转换和电源保护，具有很好稳定性。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明FPGA的电路原理图；

图3.1是本发明PCI转接卡的总线接口的连接原理图；

图3.2是本发明PCI转接卡的PCI9052桥接芯片原理图；

图3.3是本发明PCI转接卡的ISA总线接口原理图；

图3.4是是本发明PCI转接卡的74HC245电源驱动原理图；

图4是本发明LED与拨码开关模块电路原理图；

图5是本发明数码管模块电路原理图；

图6是本发明扬声器模块电路原理图；

图7是本发明步进电机模块电路原理图；

图8是本发明步直流电机模块电路原理图；

图9是本发明键盘模块电路原理图；

图10是本发明AD模块电路原理图；

图11是本发明DA模块电路原理图；

图12是本发明时钟模块电路原理图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示，本发明主要由高级实验区，核心板区和外围实验区三大部分组成，高级实验区包括PCI，ISA接口，桥接芯片，存储器；核心板区包括8253，8255，8251，8279，8259传统接口芯片和FPGA；外围实验区除包括LED与拨码开关模块、数码管模块、扬声器模块、步进电机、直流电机、键盘模块、AD/DA模块、时钟模块。

如图2所示，FPGA为XILINX的XC3S250E，用JTAG连接PC上位机，用排线和外设区连接，供电采用电源转换模块将PCI上的+5V电源转换为+3.3V，用6芯排线连接FPGA配置电路，分别是TMS、TCK、TDI、TDO、GND和VCC，并通过ISE软件来完成数字逻辑电路设计。如图所示引脚IO_L01P_3至引脚IO_L10P_0，引脚IP1至IP18引出供用户使用，IP表示输入端口，IO表示输入输出双向端口，引脚IP_L06P_0/GCLK8至IO_L05P_0/GCLK7是时钟端口，部分能做输入或者输入输出双向端口。

如图3.1、图3.2、图3.3、图3.4所示，PCI由PCI9052、93CS56L、M4A5-192/96、AS7C256、74HC245、32MHz晶振组成。PCI9052是PLX公司的PCI90XX系列芯片中的一款桥芯片(其硬件与PCI9050相兼容)，93CS56L(EERPOM)用于存放PCI9052初始化设置信息，在开发板上还提供了一个PCI总线扩展插座，可提供8位和16位，32位的总线宽度，M4A5-192/96实现逻辑功能，AS7C256作为储存器，图3.4是74HC245作为电源驱动原理图。PCI转接板连接PC和接口芯片组，并为FPGA提供+5V电源。PC机的PCI读写时序通过图3.1PCI总线接口与图3.2PCI9052桥接芯片相连，PCI9052芯片将PCI总线读写时序转换为ISA总线读写时序送入图3.3ISA总线接口。

如图4所示，LED与拨码开关模块电路结构图，74LS245芯片的传输方向管脚接地，其设置为单向传输方式，74LS24芯片的输入端和8255芯片的，亦可以和FPGA的I/O端口连接，输出端分别和LED数码管的段数据和位数据连接。

如图5所示，数码管模块由两个四位一体的LED数码管、74LS138芯片、74LS245芯片构成，74LS138分别接8255的PA、PB和PC三个端口完成译码，74LS245芯片的传输方向管脚接地，其设置为单向传输方式，数码管的列由8255的PA，PB控制，行由74LS245和8255的PC控制，也可以和FPGA连接，由FPGA软核控制。

如图6所示，扬声器模块电路使用LM386功放芯片，其输入GCtrl和SOut2可以和接口芯片组连接，也可以和FPGA的I/O端口连接。

如图7所示，步进电机模块，标号STA，STB，STC，STD，STK的输入通过64芯的排线挂接在总线上。

如图8所示，直流电机模块，AOUT接AD 0809的IN0用于直流调压输出，总线JX0接0809单元总线JX6，总线JX17接DA0832单元总线JX2，电控制端DJ接DA0832单元AOUT。

如图9所示，键盘模块由4*4个按键组成的编码键盘和74LS138芯片构成，74LS138的输连接8255的PA、PB和PC，输出为SR0，SR1，SR2，SR3控制键盘的行，列由RC0，RC1，RC2，RC3控制，RC连接至26芯排线，可以分别由8255芯片和FPGA控制。

如图10所示，AD模块采用AD0809芯片，AD0809是CMOS的8位模/数转换器，采用逐次逼近原理进行A/D转换，芯片内有模拟多路转换开关和A/D转换两大部分，可对8路0～5V的输入模拟电压信号分时进行转换。模拟多路开关由8路模拟开关和3位地址锁存译码器组成，可选通8路模拟输入中的任何一路，地址锁存信号ALE将3位地址信号ADDA、ADDB、ADDC进行锁存，然后由译码电路选通其中的一路，被选中的通道进行A/D转换。A/D转换部分包括比较器、逐次逼近寄存器(SAR)、256R电阻网络、树状电子开关、控制与时序电路等。另外ADC0809输出具有TTL三态锁存缓冲器，可直接连到CPU数据总线上。

如图11所示，DA模块采用DA0832芯片，它由一个8位输入寄存器，一个8位DAC寄存器和一个8位D/A转换器三部分组成。在D/A转换器中采用R-2R电阻网络。LE信号为每个输入寄存器的内部控制信号，当LE＝1时，接收输入数据；当LE＝0时，内部锁存数据。

如图12所示，时钟模块提供0.25M、0.5M、1M、1.19318M和2M的信号，并可以直接为接口芯片组提供时钟或接入FPGA进行处理生成任意所需时钟。

以上所述，仅是用以说明本发明的具体实施案例而已，并非用以限定本发明的可实施范围，举凡本领域熟练技术人员在未脱离本发明所指示的精神与原理下所完成的一切等效改变或修饰，仍应由本发明权利要求的范围所覆盖。

Claims

1.一种基于PCI和FPGA的新型微机接口实验平台，基于总线、多平台和多模块架构，其特征在于：所述实验平台由总线桥接电路、接口核心电路和外设电路组成，接口核心电路包括接口芯片组和可编程接口逻辑组件，外设电路包括LED与拨码开关模块、数码管模块、扬声器模块、步进电机、时钟模块、AD/DA模块、键盘模块、直流电机，外设电路分别与接口核心电路经排线相连接，总线桥接电路一端与接口核心电路经排线连接，另一端与外设计算机用桥接的方式连接，另外接口核心电路通过FPGA配置接口电路与外设计算机连接。

2.根据权利要求1所述的基于PCI和FPGA的新型微机接口实验平台，其特征在于：所述总线桥接电路为PCI/ISA总线桥接电路，由PCI9052、93CS56L、M4A5-192/96、AS7C256、74HC245、32MHz晶振组成，PCI9052是桥接芯片，93CS56L用于存放PCI9052初始化设置信息，M4A5-192/96实现逻辑功能，AS7C256作为储存器，74HC245作为电源驱动。

3.根据权利要求2所述的基于PCI和FPGA的新型微机接口实验平台，其特征在于：所述在开发板上还提供了一个PCI总线扩展插座，提供8位和16位，32位的总线宽度，用于重新定义总线宽度，IO、MEMORY地址空间和中断方式。

4.根据权利要求1所述的基于PCI和FPGA的新型微机接口实验平台，其特征在于：所述接口芯片组包括8255、8253、8251、8279、8259；所述可编程接口逻辑组件建立在FPGA平台上，在XILINX的SPARTAN-3E-XC3S250EFPGA芯片上编程实现，FPGA用JTAG连接PC上位机，用排线和外设电路连接，供电采用电源转换模块将PCI上的+5V电源转换为+3.3V。

5.根据权利要求1所述的基于PCI和FPGA的新型微机接口实验平台，其特征在于：所述接口核心电路通过ISA总线和总线桥接电路连接。

6.根据权利要求1所述的基于PCI和FPGA的新型微机接口实验平台，其特征在于：所述多模块包括接口芯片模块和IO模块，I/O模块电路通过排线形式与接口核心电路相连。

7.根据权利要求1-6之一所述的基于PCI和FPGA的新型微机接口实验平台，其特征在于：所述I/O模块组件、接口组件、FPGA组件和PCI/ISA组件之间都采用排线方式连接。