摘? 要: 根據IRDA紅外串行物理層規范IRDA-1.4設計基于PCI總線的甚高速VFIR紅外控制器,詳細分析了控制器的硬件和軟件設計方法及實現過程。設計中使用PCI總線主控接口芯片S5933,實現復雜的PCI總線接口到相對簡單的用戶接口功能轉換;使用FPGA實現紅外控制器的傳輸控制和時序邏輯。
關鍵詞: PCI總線? 接口控制器S5933? 甚高速紅外控制器? HHH(1,13)編解碼
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PCI(Peripheral Component Interconnect)局部總線[1]是一種高性能、32位或64位地址數據多路復用的同步總線。它的用途是在高度集成的外設控制器件、擴展卡和處理器/存儲器系統之間提供一種內部的連接機構,它規定了互連機構的協議、電氣、機械以及設備配置空間。PCI局部總線因具有極小延遲時間、支持線性突發數據傳輸、兼容性強以及系統能進行全自動配置等特點受到業界青睞。PCI總線規范2.1版本還定義了由32位數據總線擴充為64位總線的方法,使總線寬度擴展,并對32位和64位PCI局部總線外設做到向前和向后兼容。
目前微機之間的紅外通信是基于IRDA-1.1標準的紅外無線串行SIR通信,參考文獻[2]給出了基于ISA總線的紅外無線串行通信卡的設計及實現,該通信卡的數據速率" title="數據速率">數據速率為9.6kbps～115.2kbps,工作距離0～3m。但由于RS-232端口的最高數據速率上限為115.2kbps,不能滿足IRDA-1.4規范甚高速紅外VFIR 16Mbps速率要求,所以使用了PCI同步總線擴展外設的方法設計甚高速紅外控制器。雖然ISA總線的傳輸速率能滿足甚高速紅外控制器設計要求,但目前許多微機系統已經逐漸淘汰ISA/EISA標準總線。原因是高速微處理器和低速ISA總線之間不同步,造成擴展外設只能通過一個慢速且狹窄的瓶頸發送和接收數據,使CPU高性能受到嚴重影響。
1 HHH(1,13)編解碼
2001年5月,紅外無線數據協會IRDA發布了紅外串行物理層規范IRDA-1.4[4];它與前期發布的物理層規范的主要區別在于增加甚高速紅外VFIR 16Mbps數據速率的編解碼" title="編解碼">編解碼技術和幀結構,而其它如視角范圍、發射器最小(大)光功率和接收器靈敏度等規范基本相同。紅外串行物理層規范IRDA-1.4規定數據速率小于4Mbps采用RZI(歸零反轉)調制,最大脈沖寬度是位周期的3/16或1/4;數據速率4Mbps采用4PPM(脈沖位置調制);數據速率16Mbps采用HHH(1,13)碼。
IRDA提出的VFIR編解碼技術—HHH(1，13)碼是碼率為2/3,(d，k)=(1，13)的RLL(run-length-limited)碼;它是一種功率消耗和頻帶利用率相對折中的高效編碼,其中參數d、k分別表示在兩個‘1’之間最小和最大的‘0’的數目,參數d決定接收信號中有無碼間干擾ISI,參數k決定接收器能否從接收序列中恢復時鐘。HHH(1，13)碼的帶寬效率使數據通信能夠選擇成本很低、上升/下降時間為19ns的LED。功率效率避免了LED的熱問題,它能保證1m距離范圍內保持鏈接。1m距離的16Mbps鏈路可達到過去4Mbps鏈路的驅動電流和功耗。HHH(1，13)碼和4PPM碼(用于4Mbps)的顯著區別是HHH(1，13)碼決不允許一個紅外脈沖緊跟前一個紅外脈沖,脈沖之間應該保持一個chip時間差。由于光電管工作區域內有少量載流子的慢輻射,使LED或光電二極管表現出拖尾效應,HHH(1.13)碼能夠兼容拖尾效應,從而允許在chip時間周期內脈沖的擴展。
雖然HHH(1，13)碼的設計過程比較復雜,但IRDA-1.4標準已經詳細給出了編譯碼邏輯方程和電路,所以實現起來比較容易。筆者使用Altera MAX+plus П 進行邏輯功能仿真,并用GW48 EDA實驗系統進行硬件仿真,驗證HHH(1，13)碼編譯碼電路設計的正確性。
2 甚高速紅外VFIR控制器的硬件設計
由于PCI總線規定了嚴格的電氣特性,開發PCI總線的應用具有很大難度,因此使用AMCC(Applied Micro Corporation)公司推出的PCI接口控制器S5933實現紅外控制器PCI總線接口規范[5]。甚高速紅外VFIR控制器原理框圖如圖1所示。選用Altera公司的FLEX10K系列現場可編程門陣列器件實現S5933與紅外TX/RXFIFO、寄存器的傳輸控制和邏輯時序以及紅外接口控制邏輯" title="控制邏輯">控制邏輯和紅外收發器" title="紅外收發器">紅外收發器接口功能模塊(CRC校驗、編解碼以及串/并轉換)。甚高速紅外VFIR控制器工作原理如下:首先由AMCC S5933外部非易失性串行EEPROM AT24C02下載PCI配置空間,然后主機通過直通(Pass-Thru)寄存器數據訪問方式向紅外接口控制寄存器" title="控制寄存器">控制寄存器寫控制命令[3]。紅外接口控制邏輯根據控制命令發出控制信號,使整個紅外控制器處于準備狀態。當上層協議發出數據發送事件時,紅外接口控制邏輯發出消息,通知主機啟動S5933總線主控讀操作,把上層數據寫到外部紅外TXFIFO數據緩沖器;同時紅外接口控制邏輯根據TXFIFO狀態把TXFIFO的數據發送到紅外收發器接口,進行鎖存、并/串轉換、CRC校驗和編碼,最后通過VFIR收發器發送數據。同理VFIR收發器接收到的數據經過譯碼、CRC校驗、串/并轉換和鎖存,寫入RXFIFO數據緩沖器。紅外接口控制邏輯觸發上層協議發出數據接收事件接收數據,主機啟動S5933總線主控寫操作向上層協議遞交數據,數據傳輸完成上層協議發回消息,通知數據接收完成。下面重點分析S5933與紅外TX/RXFIFO、紅外寄存器組訪問控制邏輯以及紅外接口控制邏輯和紅外收發器接口功能。
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2.1 紅外TX/RXFIFO與紅外控制寄存器組控制邏輯
AMCC S5933支持3個物理總線接口:PCI總線接口、擴充總線接口和非易失性EEPROM總線接口。非易失性EEPROM用于映射PCI的配置空間及設備BIOS的初始化;擴充總線可以與外圍設備互連。主機和外設之間可以利用S5933的郵箱寄存器、FIFO寄存器、直通寄存器(Pass-Thru)數據傳輸方式雙向傳輸數據。
紅外寄存器組包括紅外接口控制寄存器和狀態寄存器。本文中甚高速紅外控制器利用S5933直通寄存器單周期數據傳送向紅外接口控制寄存器寫控制字,由Pass-Thru邏輯控制電路把地址和數據分離開,直通地址寄存器(APTA)經374鎖存并譯碼,選通紅外接口控制寄存器,同時把直通數據寄存器(PTDA)的低字寫入紅外控制器;該接口控制寄存器的數據寬度為16位,包括紅外控制器始能、工作模式(UART、SIR、MIR、FIR、VFIR)的設置、接收或發送數據的選擇以及滿足SIR模式下多波特率的分頻數。紅外接口控制寄存器結構定義如圖2。
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同理使用直通寄存器方式獲取紅外接口狀態寄存器的狀態。紅外接口狀態寄存器結構定義如圖3。
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為滿足高速數據傳輸,利用S5933 FIFO寄存器總線主控方式下的同步猝發(Burst)操作(DMA傳送)完成主機與紅外TX/RXFIFO的數據傳輸。PCI接口首先初始化S5933作為總線主控設備,然后由PCI接口向主控讀/寫地址寄存器(MRAR/MWAR)寫入要訪問的PCI存儲空間地址,向主控讀/寫計數器(MRTC/MWTC)寫入要傳輸的字節數。S5933提供了4個專用引腳RDFIFO#、WRFIFO#、RDEMPY#和WRFULL#控制內部FIFO與外部FIFO的數據傳輸接口邏輯。接收/發送FIFO的數據寬度都是32位,分別由4片8位數據總線的IDT72220 FIFO數據位擴展實現。該FIFO既為PCI接口提供數據緩沖,又為紅外收發器接口提供訪問數據。S5933與紅外TX/RXFIFO、紅外寄存器組的數據訪問控制邏輯如圖4。
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2.2 紅外接口控制邏輯
根據紅外接口控制寄存器控制字,紅外接口控制邏輯實現外部RX/TXFIFO與紅外收發器接口之間的數據傳輸和邏輯時序。它的工作原理如下:根據控制字,首先啟動紅外收發器接口CRC校驗、編解碼器和可編程時鐘(RX/TXFIFO讀/寫時鐘RCLK、WCLK和編解碼時鐘fclock),然后根據控制字的TX/RX位決定是接收還是發送數據。發送數據時,TXFIFO緩沖器不為空,TXFIFO的EF信號就觸發紅外接口控制邏輯發出TXFIFO讀操作信號ENR#,讀取TXFIFO的數據(數據寬度32位)傳給紅外收發器接口進行CRC校驗、編碼以及并/串轉換。同理當甚高速紅外控制器接收數據時,紅外收發器接收到的數據經過譯碼、串/并轉換(數據寬度32位),然后觸發紅外接口控制邏輯發出紅外接收FIFO寫操作信號ENW#,把接收數據寫入紅外接收FIFO。當RXFIFO寫滿后,觸發控制邏輯發出S5933 FIFO寫信號WRFIFO#,上層協議啟動PCI接口初始化S5933為同步主控寫操作實現紅外接收FIFO到主機內存的數據傳輸。另外紅外接口邏輯還實現紅外接口狀態寄存器狀態位的配置,以方便上層協議了解紅外控制器工作狀態。
2.3 紅外收發器接口
紅外收發器接口的設計與實現是紅外控制器成功的關鍵。該接口需要實現各種工作模式(SIR、MIR、FIR、VFIR)的編解碼器和硬件CRC校驗,設計比較復雜。編碼器前、譯碼器后,數據都要進行硬件CRC校驗實現差錯控制。SIR模式采用RZI(歸零反轉)編碼,信號為高電平,調制為低電平;信號為低電平,調制為高電平脈沖,最大脈沖寬度是位周期的3/16。MIR模式也采用RZI(歸零反轉)編碼,但最大脈沖寬度是位周期的1/4。FIR模式采用4PPM(脈沖位置調制)調制,它的原理是被編碼的二進制數據流每兩位組合成一個數據碼元組(DBP),其占用時間Dt=500ns,再將該數據碼元組(DBP)分為4個125ns的時隙(chip),根據碼元組的狀態,在不同的時隙放置單脈沖。由于PPM通信依賴信號光脈沖在時間上的位置傳輸信息,所以解調時先保證收發雙方時隙同步、幀同步,然后根據脈沖在500ns周期中的位置解調出發送數據。考慮到紅外收發器通信距離突然變化引發脈沖寬度擴展,發生碼間干擾,導致譯碼出錯,因此根據Hiroshi Uno提出的新算法[7]簡化4PPM譯碼過程,并通過實驗驗證該算法比最大似然譯碼算法結構更簡單,功耗更低,而且更容易實現。
VFIR模式采用HHH(1，13)編解碼技術。編碼器原理:為了正確實現編碼,要求在計算內部碼字C=(c1,c2,c3)之前,在nT(T表示一個chip時間)時刻到達編碼器輸入端的輸入數據碼元組d=(d1，d2)經過3個編碼周期(每個編碼周期是3T)的延時后進行邏輯計算,得到下一狀態矢量值N=(s1，s2，s3),即與輸入數據有關的N出現在(n+9T)時刻; 再經過一個編碼周期,即(n+12T)時刻,狀態N賦給內部狀態矢量S=s1，s2，s3),同時計算與輸入數據碼元組d=(d1，d2)有關的內部碼字矢量C=(c1，c2，c3),再經過一個編碼周期,內部碼字C賦給輸出碼字矢量Y=(y1，y2，y3)。由此可見16Mbps的數據速率經過編碼器變為24Mchip/s編碼速率,整個編碼過程延時5個編碼周期即15個chip。注意編碼器初始狀態S應設置為(1，0，0)。譯碼器原理:輸入數據R=(r1，r2，r3)經過鎖存器延時得到矢量Y4=(y10，y11，y12),對Y4進行不同的延時得到Y3、Y2及Y1。這里矢量Yi是Y4的4-i次延時(由鎖存器實現延時);對Y4進行或非運算得到Zd,再將Zd進行不同的延時得到Zc和Zb。這里Zc、Zb、Zd是變量,然后將Y4、Y3、Y2、Y1、Zb、Zc、Zd進行邏輯運算、延時分別得到矢量X1=(x1，x2)、X2=(x3，x4)、X3=(x5，x6);最后將x1、x2經過鎖存器得到譯碼器輸出矢量值U=(u1，u2)。整個譯碼過程延時4個周期即12個chip?？梢奌HH(1，13)編譯碼電路比較簡單,利用FPGA基于門級描述即可實現,但必須注意鎖存器時鐘fclock=1/3fchip。VFIR模式增加線性反饋移位寄存器(LFSR)實現加擾和解擾功能提高系統性能,減少誤碼。
3 甚高速紅外VFIR控制器的軟件設計
控制器軟件主要分為三部分:系統初始化部分、接收部分、發送部分。系統初始化首先調用BIOS 1Ah中斷功能獲取設備PCI總線號、功能號、內存、I/O空間基地址和空間大小以及中斷號,然后通過直通(Pass-Thru)方式寫控制命令初始化紅外控制器,選擇控制器接收或發送數據,設置控制器工作模式和波特率分頻數并允許控制器工作。紅外控制器具有收發雙向數據傳輸能力。編程時將S5933FIFO設置成由PCI接口初始化為同步主控方式,支持突發傳輸(DMA);然后根據控制器收/發位判斷PCI總線主控讀還是主控寫操作。程序采用中斷控制,主程序調用set_up_pci_busmaster()初始化主控操作,該函數不僅裝載訪問內存實際地址和傳輸字節數,而且還要允許讀/寫傳輸字節數到零中斷。紅外控制器初始化完成后,系統等待中斷。中斷服務處理程序讀取S5933中斷狀態/控制寄存器INTCSR判斷中斷源,并清除中斷標志;讀取CRC校驗狀態位,判斷接收數據是否正確。發送數據時,中斷服務處理程序還要檢測紅外發送FIFO狀態位是否為1(1表示FIFO為空),不為1置發送不為空標志tx_not_empty=1,主程序繼續等待,直到TXFIFO數據為空;同理接收數據也需要檢測紅外接口狀態寄存器的紅外接收FIFO狀態位是否為1(測試位為1表示FIFO為空)。這樣可保證接收和發送FIFO的數據完全被取走。編寫的應用程序使用Turbo C2.0調試通過。
PCI總線已經成為當今電腦的主流總線,為此根據紅外串行物理層規范IRDA-1.4設計基于PCI總線的甚高速紅外VFIR控制器。使用AMCC公司PCI總線專用控制器外加部分接口控制電路實現VFIR控制器硬件設計,縮短開發周期、提高效率、節約成本。目前正在使用VtoolsD開發虛擬驅動程序,解決系統如何分配紅外控制器配置資源、如何訪問硬件設備、如何處理硬件中斷和總線主控DMA操作以及VXD和應用程序之間的通信。另外國外已有公司推出VFIR紅外控制器專用芯片,如MKNET公司的MK7100。
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參考文獻
1 李廣軍.實用接口技術[M].成都：電子科技大學出版社,1997
2 韓書光. 紅外無線串行通行適配卡的設計[J]. 桂林電子工業學院學報,2001:18～22
3 張蘊玉. PCI總線接口設計及其專用芯片應用[J]. 南京：電子工程師,2002
4 IRDA. IRDA Serial Infrared Physical Layer Specification，Version 1.4[EB/OL].Infrared Data Association，2001：1～68
5 Applied Micro Circuit Coperation. PCI Products Data Book [EB/OL]. http：//www.amcc.com/pdfs/pciprod.pdf，1998：?3.1～3.190
6 Hiroshi Uno. Lower Power Architecture for High Speed?Infrared Wireless Communication System. Low Power Electronics and? Design， 1997：255～258