基于FPGA的SCI串行通信接口的研究与实现

论文摘要

国家863项目“飞行控制计算机系统FC通信卡研制”的任务是研究设计符合CPCI总线标准的FC通信卡。本课题是这个项目的进一步引伸,用于设计SCI串行通信接口,以实现环上多计算机系统间的高速串行通信。本文以此项目为背景,对基于FPGA的SCI串行通信接口进行研究与实现。论文先概述SCI协议,接着对SCI串行通信接口的两个模块:SCI节点模型模块和CPCI总线接口模块的功能和实现进行了详细的论述。SCI节模型包含Aurora收发模块、中断进程、旁路FIFO、接受和发送存储器、地址解码、MUX。在SCI节点模型的实现上,利用FPGA内嵌的RoeketIO高速串行收发器实现主机之间的高速串行通信,并利用Aurora IP核实现了Aurora链路层协议;设计一个同步FIFO实现旁路FIFO;利用FPGA上的块RAM实现发送和接收存储器;中断进程、地址解码和多路复合分别在控制逻辑中实现。CPCI总线接口包括PCI核、PCI核的配置模块以及用户逻辑三个部分。本课题中,采用FPGA+PCI软核的方法来实现CPCI总线接口。PCI核作为PCI总线与用户逻辑之间的桥梁;PCI核的配置模块负责对PCI核进行配置,得到用户需要的PCI核;用户逻辑模块负责实现整个通信接口具体的内部逻辑功能;并引入中断机制来提高SCI通信接口与主机之间数据交换的速率。设计选用硬件描述语言VerilogHDL和VHDL,在开发工具Xilinx ISE7.1中完成整个系统的设计、综合、布局布线,利用Modelsim进行功能及时序仿真,使用DriverWorks为SCI串行通信接口编写WinXP下的驱动程序,用VC++6.0编写相应的测试应用程序。最后,将FPGA设计下载到FC通信卡中运行,并利用ISE内嵌的ChipSeope Pro虚拟逻辑分析仪对设计进行验证,运行结果正常。文章最后分析传输性能上的原因,指出工作中的不足之处和需要进一步完善的地方。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 项目来源及意义
• 1.3 研究内容
• 1.4 本文的组织结构
• 第二章 设计开发背景知识介绍
• 2.1 SCI协议简介
• 2.1.1 SCI协议产生的背景和基本内容
• 2.1.2 SCI节点接口结构
• 2.1.3 SCI拓扑结构
• 2.2 数字系统设计概述
• 2.2.1 硬件描述语言
• 2.2.2 IP核
• 2.3 FPGA简介
• 2.3.1 概述
• 2.3.2 FPGA特点
• 2.3.3 FPGA设计流程
• 2.4 通信卡硬件平台
• 2.4.1 Virtex-Ⅱ Pro FPGA
• 2.4.2 SFP光收发模块
• 2.4.3 时钟产生模块
• 2.4.4 电源模块
• 2.4.5 FPGA的配置及 ISP配置 PROM
• 2.4.6 CPCI接口
• 第三章 SCI节点模型的逻辑设计
• 3.1 SCI串行通信接口整体逻辑划分
• 3.2 SCI节点模型的实现
• 3.2.1 Aurora收发模块的实现
• 3.2.2 中断进程
• 3.2.3 旁路 FIFO的实现
• 3.2.4 接收和发送存储器的实现
• 3.2.5 地址解码和 MUX的实现
• 3.3 设计中使用的传输帧的类型和格式
• 3.3.1 地址帧
• 3.3.2 文件数据帧
• 3.4 SCI节点的工作流程
• 第四章 CPCI总线接口模块的设计
• 4.1 CPCI总线接口模块
• 4.1.1 PCI总线接口常用实现方法
• 4.1.2 PCI总线接口模块的总体设计
• 4.2 PCI总线数据收发的实现
• 4.2.1 Xilinx LogiCore PCI32接口逻辑
• 4.2.2 PCI核的配置
• 4.2.3 读写状态机的设计
• 第五章 系统测试及性能分析
• 5.1 ModelSim功能仿真
• 5.1.1 Aurora收发模块的仿真
• 5.1.2 旁路 FIFO的仿真
• 5.2 设备驱动程序设计
• 5.2.1 驱动程序简介
• 5.2.2 开发环境
• 5.2.3 驱动中的中断处理
• 5.3 Chipscope验证
• 5.4 系统测试及性能分析
• 5.4.1 板级通信组成
• 5.4.2 通信应用程序
• 5.4.3 性能分析
• 第六章 结束语
• 6.1 工作总结
• 6.2 存在问题及今后工作
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文