本文針對特種計算機的多接口、微型化特點，以FPGA 為核心將總線橋接技術應用于特種計算機設計中，不僅完成計算機電源控制功能，而且以一顆主芯片實現多接口的傳輸應用，節約PCB 布局面積，節省整機空間。該應用包含以太網、UART、USB 以及CAN 總線等多種接口，設計靈活、穩定性高。

近年來，特種計算機的特點逐漸朝著抗惡劣環境、高性能、高可靠、多接口、微型化趨勢發展。其中，計算機多接口特點的實現通常采用多個專用芯片來完成板載設計以及使用多個專用擴展卡來完成擴展設計，該種設計不僅與微型化相矛盾而且會產生整機內部空間擁擠、制作工序復雜、穩定性低等缺點。

本文針對特種計算機的多接口、微型化特點提出基于FPGA 的總線橋接在特種計算機中的應用，即使用FPGA 設計總線橋接技術來替代傳統的接口轉接芯片或多擴展卡來完成多接口設計，同時將計算機上電管理模塊集成在FPGA 內部實現，該應用對于板載接口可以節約PCB 布局面積，對于擴展設計則能節省設備空間布局，能夠在保證穩定性的基礎上實現計算機的多接口、微型化特點。
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1 FPGA 概述

FPGA，即現場可編程門陣列(Field ProgrammableGateArrays)，是一種可編程使用的數字邏輯器件，用戶以根據自身需求改變其配置信息來實現相應的設計功能，來滿足系統設計需求。FPGA 器件在可編程、集成度、性能和可靠性上都比傳統數字電路要優越。通過編程設計來完成器件內部邏輯功能配置，既能減少電路設計工作量又可以將電路設計中的信號質量、空間布局等都集成在芯片內部，在保證效果的同時提高工作效率，增加靈活性[1]。目前，FPGA 在市場中已經越來越多的被使用在數字系統設計中，且該技術可以將半導體發展過程中低功耗、高頻率、低成本等特點完全體現。未來，FPGA 的特點將集中表現為高規模、高集成度、高性能、低價格。

當前主流FPGA 芯片提供商為Xilinx、Altera、Lattice、Actel、Atmel 等，前兩者市場占有率在60%以上，而ACTEL 主要涉及軍品和宇航級市場。本文采用Xilinx 品牌系列產品，將FPGA 芯片的高集成度、高性能等特點使用在計算機接口擴展應用上，既能保證接口數量和性能，又能節省設備結構空間布局，同時具有設計靈活等顯著特點。

2 FPGA 總線橋接在特種計算機中的應用

在特種計算機設計中因客戶的特殊應用環境不同，決定了特種計算機的多接口特點，在面向主流應用中，采用專用芯片來實現多接口的方式價格昂貴、占用PCB 面積大，設計不靈活，本文涉及應用以FPGA 邏輯橋接為核心，使用模塊化設計方案，以FPGA+ 接口芯片的方式實現不同接口的通信。在FPGA 部分，包括外部接口單元、PCIE 接口單元、邏輯橋接單元以及計算機電源管理單元，四個邏輯單元均集成在FPGA內部，對于計算機系統，FPGA 芯片以DMA 模式掛接在PCIE 總線下，其為PCIE 橋設備。電源管理單元將計算機電源時序控制以及系統部分信號控制集成在FPGA 內部，該單元與接口通信為相互獨立功能單元。如圖1 為整個系統結構框圖。

圖1 FPGA 總線橋接應用示意圖

2.1 邏輯橋接單元
如圖2 所示在該部分主要以邏輯控制為核心，在數據通信中，FPGA 內部設計局部總線實現PCI-E 到各接口的邏輯橋接，每一個接口模塊都掛接在該局部總線上，邏輯橋接模塊通過地址線、數據線、控制信號線（包括讀寫信號線和片選信號線）與各接口模塊通信，各個接口模塊的內部分為頂層邏輯控制模塊和接口處理模塊。頂層控制模塊負責完成相應接口協議與局部總線協議的轉化，接口處理模塊負責完成FPGA 與外部接口的數據傳輸。通過協議轉換以及局部總線橋接完成PCIE 與各接口模塊的信號通信。

圖2 邏輯橋接單元

2.2 PCIE 接口單元
PCIE 接口單元為FPGA 與計算機系統通信的通道，也是接口數據傳輸的通道，該單元為由FPGA 內部PCIE 硬核層和PCIE 軟核（IP 核）構成，通過例化硬核和編寫應用層邏輯，即可直接使用FPGA 廠家提供的IP 核實現PCIE 端點(Endpoint) 設備功能，利用系統PCIE 總線將設備和計算機系統進行鏈式 DMA 高速數據傳輸[2]。該過程主要完成PCIE 協議的解析，在將解析后的信號數據通過邏輯控制模塊轉換協議后存放于局部總線緩沖器，待進一步與對應模塊通信完成PCIE—外部接口的邏輯橋接。外部接口至PCIE 的數據通信與之相反，邏輯控制模塊從局部總線讀取數據并轉換協議后通過PCIE 送至系統。該部分邏輯圖如圖3 所示。

圖3 PCIE 接口單元

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。