基于Nios II系统的1553B总线网络存储器设计(图)

本文设计了1553B总线上的网络存储器。整个系统基于NIOS II内核设计，利用SoPC技术将接口部分的逻辑控制全部集成于FPGA片内，系统的存储量、结点数量均可扩展。

20世纪70年代诞生的1553B总线，是一种主从式多余度总线，对总线硬件有严格的规定，可靠性和实时性好，已经成为当今军用电子总线的首选。类似于以太网，1553B组网中也有“网络硬盘”这样的存储需求，来减轻本地的存储压力，并可作为数据中继供其他部分甚至其他组网使用。

Nios II嵌入式处理器是Altera公司于2004年6月推出的第二代用于可编程逻辑器件的可配置的软核处理器，性能超过200 DMIPS。Nios II是基于哈佛结构的RISC通用嵌入式处理器软核，能与用户逻辑相结合，编程至Altera的FPGA中。处理器具有32位指令集，32位数据通道和可配置的指令以及数据缓冲。它特别为可编程逻辑进行了优化设计，也为可编程单芯片系统（SoPC）设计了一套综合解决方案。

图1 系统硬件结构框图

系统总体方案
本系统的主要功能为接收1553B网络发来的命令、数据，管理后级存储器，提供一个访问存储器的网络接口。系统的存储器接口作为1553B总线中的从结点，平时处于待机状态，当总线上有读写命令发来时，总线转换接口根据命令从后级存储器读取数据或向其写入数据。对于总线协议，最方便的是使用现成的协议芯片，但这样做的成本非常高，1553B协议芯片的单片价格在6000元以上，这对于普通应用来说是一个不小的负担，如果能使用FPGA进行协议管理，将使成本大大降低，另外，Quartus内包含有很多存储器管理的IP核可供使用，对于1553B的协议则需要自行定制组件。

系统程序为两部分，一部分为接受网络命令及数据，另一部分为存储器的读写。在NIOS IDE环境中，使用C语言作为编程语言。

系统硬件设计
系统的硬件模块框图见图1所示。

系统的核心芯片采用Altera公司的CYCLONE III系列FPGA EP3C25F324。它采用了65nm低功耗工艺技术进行生产，其集成度及性能有了明显地提高，但功耗却非常低，加上CYCLONE系列一直定位于低成本器件，芯片整体的性价比很高。

通过Quartus II 7.2集成的SOPC软件向FPGA内部移植Nios II内核，所需组件如下。
● CPU：选用标准型CPU核，Debugger为Level 1，在满足需求的情况下尽量节约片内资源的使用。
● System_ID：下载时系统认证时使用。
● Jtag_uart：FPGA与PC的通信接口，NIOS IDE软件中使用会很方便。
● onchip_memory：片内存储器，中转数据时使用。
● FLASH：Quartus软件内部集成

图2 1553B总线的三种帧结构

有Intel公司生产的128P308的控制组件，便于开发，若需要更大量的存储，加大FLASH容量即可，如果有需要，可多挂几片。
● FLASH_Bus：FLASH的数据是三态的，需要在CPU和FLASH之间加入Avalon三态总线桥。
● 1553B接口组件：与外部1553B总线通信的接口，Quartus软件内部未集成有该组件，需要自行开发。
在1553B的网络上，本系统是作为从结点设计的。在系统内部，1553B的接口组件需要作为Alavon总线上的主端口，其余存储器控制模块作为从端口。由于其余的端口在Quartus软件内部均有集成，所以，系统软件设计的主要工作量就是1553B接口的组件开发。
存储芯片采用Intel公司生产的128P308的FLASH芯片，符合通用接口标准，便于后续功能容量的更新升级。

图3 FPGA内部工作流程

系统软件设计
定制1553B组件的核心任务就是将1553B的总线信号转换到NIOS II内部的Avalon总线上。

1553B组件作为Avalon总线上的主端口，选用的信号有clk、address、read、write、data、irq、reset、irqnumber等。传输方式为基本的主端口读传输和写传输。产生这些信号就需要从1553B总线上读取的帧信号来实现。1553B总线上共有三种帧，命令帧、状态帧和数据帧。这三种帧的结构如图2所示。

对于这三种帧，命令帧、数据帧和状态帧可以使用同一个缓存，因为作为存储的从结点不会主动向主结点发送数据，整个工作都是被动接收主结点的命令，等待主结点读取或写入数据，系统只有单一的状态，不会出现冲突。

对于Avalon总线中的信号，对应于帧内信号关系如下。
● read/write信号：命令帧内的发送/接收位。
● address信号：命令帧内的子地址以及数据长度位。
● data信号：数据帧内的数据位。
● irq信号：状态帧内的标志位引起。
● irqnumber信号：状态帧内的具体位置。
1553B组件的API函数包括有：
● altera_avalon_1553B_init()
● altera_avalon_1553B_enable()
● altera_avalon_1553B_disable()
● altera_avalon_1553B_getframe()
● altera_avalon_1553B_sendframe()
其余定制组件的步骤不再赘述。将组件通过SoPC定义完成后，命名为1553B，添加至NIOS II内核中。

FPGA内部的工作流程如图3所示。

系统平时处于待机状态，当命令帧到来时会引起中断，中断子程即通过altera_avalon_1553B_getframe()解读命令帧的内容，确定是读取还是写入，读取或写入数据的长度，数据的特征作为下次读取的标志，确实无误后，开始读取或写入。

存储器的管理与其他应用中不同的有两点:在每次写入后，必须将写入的数据作一个标志，以方便以后读取；另外，还要计算剩余存储的容量，在下一次需要写入数据时判断是否可以容纳下本次存储。1553B的主结点在使用完毕数据后也需要提供信号来清空存储以释放资源。