2.3 外部接口單元
外部接口單元為實現特種計算機多接口功能的具體實現單元，該部分可以根據客戶定制需求來選擇不同的設計內容，對相應設計進行邏輯編程即可實現特殊接口定制功能。本文提出的應用包括以太網接口、UART 接口、USB 接口以及CAN 總線接口。

2.3.1 以太網接口
傳統的以太網接口通過以太網控制器外接一個PHY 芯片來完成主機與外部通信（如圖4）。對于使用FPGA 的通信方式通常有兩種，一個使用只含有物理層（PHY）的控制器，則需要在FPGA 內部來實現MAC 功能，另一個是自帶物理層（PHY）處理接口和媒體控制層（MAC）處理接口，此種使用FPGA 只關心數據協議的處理。本文太網鏈接通過外接帶PHY 和MAC 層的以太網接口芯片DM9000 實現，故只需在FPGA 內部實現協議應用層，通過邏輯控制以及協議轉換經局部總線即可完成與PCIE 的鏈路橋接（如圖5）。

圖4 傳統以太網接口

圖5 DM9000 應用接口

2.3.2 UART 通信接口
該通信接口模塊包括數據發送、數據接收、波特率發生器、頂層邏輯控制部分[3]，頂層邏輯控制部分負責與局部總線通信以完成數據發送和接受，進而實現上層通信；在下層通信中，通過FPGA 內部邏輯控制功能的改寫以及外部鏈接不同的TTL 電平轉換芯片即可完成如RS232 和RS485 的對外通信。圖6 為UART 接口框圖。

圖6 UART 接口通信

2.3.3 USB 接口
USB 接口部分采用FPGA 外掛CY7C68013 接口芯片的方式實現，該芯片集成了USB2.0 協議，可以直接完成USB2.0 協議的解析[4]。如圖7，FPGA 作為核心對該接口芯片進行控制，接口芯片以異步方式運行于從模式，其與FPGA 的數據連線采用16 位。數據收：USB 總線控制器接收自USB 設備的數據，將其解析后并行輸入至FPGA，FPGA 內部邏輯控制模塊將數據經過內部格式的轉換后，將數據傳至在FPGA 局部總線的緩存器中，最后傳輸至計算機系統。數據發與收路徑相反。在通信中FPGA 將PCIE 通道信號與UBS 信號通道，進行邏輯控制，進行數據及時序轉換，通過局部總線來完成通信信道的鏈接。

圖7 USB 接口通信

2.3.4 CAN 總線接口
CAN 總線是現場總線的一種，因為其成本低、容錯能力強、支持分布式控制、通信速率高等優點在汽車、工業控制、航天等領域得到廣泛應用[5]。實現CAN 總線與計算機雙向通信接口的核心是FPGA 及CAN 控制器。FPGA 對CAN 控制器控制程序包括初始化、讀數據、寫數據等部分。如圖8 所示為CAN 總線接口框圖。其中，數據接收模式：CAN 總線控制器接收自CAN 總線的數據，將其并行輸入至FPGA，FPGA 內部邏輯控制模塊將數據經過內部格式的轉換后，將數據傳至FPGA局部總線的緩存器中，最后傳輸至計算機系統。數據發送模式與收路徑相反。CAN 控制器采用SJA1000，收發器采用PCA82C250。

圖8 CAN 總線接口通信

2.4 電源管理單元
電源管理單元為FPGA 內部與邏輯接口單元相獨立的部分，其為了實現整機的微型化特點，將電源管理部分集成至FPGA 內部，通過邏輯控制不同電源芯片的使能來實現對計算機時序的控制，同時增加對關鍵器件的復位、初始化控制，實現整個機器的時序邏輯控制。其實現如圖9 所示。

圖9 計算機電源管理單元

3 FPGA 的實現

本設計選用的是Xilinx 公司FPGA 的Spartan-6 系列產品。整個設計采用Verilog HDL 硬件描述語言，ISE Design Suite 14.7 環境平臺上進行系統的開發、仿真等設計。通過Xilinx Platform Cable USB 將編譯后的文件下載至硬件系統中，進行系統調試以及性能、穩定性測試等。

4 結語

特種計算機的發展逐漸朝著多用途、微型化方向發展，隨著使用者及使用環境的不斷變化和增多，會產生越來越多的各種定制化產品。FPGA 芯片的發展也逐漸朝著高集成度、高性能方向發展，在部分專用FPGA 中也已經集成了專用CPU 核，FPGA 的的高集成度、高性能及可編程性使其能在諸特種計算機的特定要求中發揮著較高的設計靈活性。在未來的計算機開發中，FPGA 的使用也將成為一種不可或缺的設計手段。