前言

目前的ARM處理器已經適合應用于數控系統。ARM處理器的成本低而且種類多。主頻能夠滿足數控領域需求而且功耗比較低，無需使用風扇，提高了系統的可靠性。帶有MMU的ARM處理器支持數控軟件所需要的Linux操作系統，能夠充分利用現有的數控軟件資源。隨著ARM處理器和FPGA的快速發展．給數控系統的設計提供了新的解決方案。ARM處理器用作系統的核心，可編程FPGA器件作為運動控制器。同時FPGA器件提供數控系統I/O等其它輔助電路。

隨著PC/104成為工業控制領域的標準，已經被IEEE協會定義為IEEE-P996.1，PC/104總線提供的信號跟ISA總線一樣，但是前者的機械規格不僅易于擴充而且更加堅同，適合應用于數控系統。但是這種總線結構是在Intel的x86體系結構上發展而來，目前x86對PC/104的支持比較好，而ARM對PC/104的支持還不完全統一，主要由于ARM和x86在體系結構、總線時序、電氣特性以及指令集等方面的差異。而且不同的數控系統所需要的總線信號也不完全一樣。本文將提出一種基于ARM處理器的數控系統上支持P0104總線的方案。

1 系統總體設計

數控系統中的ARM處理器采用Cirrus Logic的EP9315處理器，用EP9315的一個片選（nGCS3_PHBASE 0X30000000）作為PC104的地址范圍，用地址ADDR24來控制MEMORY和10的方式的讀寫；用另一個片選（nGCS1_PHBASE 0X10000000）來查詢PC104的中斷號，當PC104有中斷的時候，用一個中斷通知CPU，然后CPU通過nGCS1這個地址來讀中斷號，判斷出11個PCIl04中斷源中來自哪個中斷。由于EP9315和CPLD在制作工藝、電氣性能上與PC/104總線有比較大的差別．因此需要使用74LVTH16245作為3.3-5V電氣轉換buffer用來調整電平模式。CPLD是基于乘積項的可編程邏輯器件．CPLD內部采用固定長度線連接各個邏輯塊，因此具有較大的時間可預測性，引腳到引腳的延遲幾乎是固定的，與邏輯設計無關，因此適合作為PC/104總線控制器。這里使用Altera的EPM7032用作PC/104總線控制器，用來完成EP9315讀寫時序向PC/104總線讀寫時序的轉換。EP9315的數據總線和地址總線連到電平轉換buffer，輸出到PC/104總線上。因此PC/104總線設計的核心是保證EPM7032有正確的讀寫時序。原理圖如圖1所示：

圖1 原理框圖

2 PC/104總線控制器的實現

PC/104 總線介紹

PC/104采用模塊化設計方法．通過自堆疊總線，省去了對底板或板卡插槽的要求。通過將多數信號的總線驅動電流減小至4mA．將元件數量和功耗降到最低。模塊的104個信號線分布在兩個總線連接器上，P1連接器有64個信號引腳，P2連接器有40個信號引腳。與ISA總線相比，PC/104總線將板卡的長寬比降至3．775英寸比3．550英寸（即96mm比90mm），克服了ISA總線機械規格的缺點。PC/104總線與PC/AT總線兼容，也定義了兩種工作模式一8位和16位數據模式。對于8位數據模式，總線信號由板上的64引腳雙排插座P1/J1提供，對于16位模式，增加了40引腳雙排插座P2/J2。

ARM EP9315處理器介紹

EP9315處理器是Cirrus Logic推出的一款基于ARM920T內核的RISC處理器，主要面向工業計算機和手持設備等等。ARM920T是Harvard體系結構處理器，由ARM920TDMI、存儲管理單元（MMU）和高速緩存3部分組成。有獨立的16位指令cache和數據cache。ARM920T有5級流水線。EP9315工作頻率為200M Hz，集成了2D圖形加速器和協處理器，以及豐富的外設接口例如IDE控制器和PCMCLA控制器等，即使不使用額外的DSP芯片也能夠支持相當多的外設。EP9315支持Linux。Microsofi Windows CE等操作系統。

PC/104總線控制器的設計

控制器的CPLD設計采用Altera公司的EPM7032．屬于MAX7000可編程器件系列。MAX7000系列是高密度、高性能的CPLD，采用了Altera的第二代MAX架構，采用浮柵EEPROM設計。結構如圖2所示：

圖2 EPM7032的結構

結構中包括邏輯陣列模塊（LAB）組成的陣列、可編程互連陣列口（PLA）和可編程I/O模塊陣列。每個LAB包括36個輸入端、16個輸出端和16個宏單元，每個宏單元包括處理組合和時序運算的組合邏輯和觸發器。PIA作為全局總線提供了多重LAB、專用輸入端和I/O引腳之間的連接。PIA為邏輯單元的輸出和LAB的輸入提供了包括預計定時的完整連接。器件可以工作在3．3v。pin—to—pin的延遲tPD=6ms，工作頻率可達151．5MHz，能夠與EP9315的AMBA總線時鐘頻率相匹配。EPM7032支持多種設計輸入，除原理圖外還可以通過VHDL Veriiog HDL和Altera Hardware Description Language （AHDL）。Verilog HDL語言是一種硬件描述語言，能形式化地抽象描述電路的結構和行為，支持邏輯設計中層次與領域的描述，具有電路仿真與驗證機制以保證設計的正確性，用于算法級、門級和開關級的建模。開發環境使用Altera的MAX+Plus。

總線控制器的實現與仿真

在PC/104總線內部，用一個信號INT1查詢相關的中斷信號，使用片選信號CS3和地址信號LADDR24和讀寫信號WR、RD選擇MEM或者10的讀寫方式。相關代碼如下：

assign INT1=（IRQ［3］ || IRQ［4］ || RQ［5］ || IRQ［6］ || IRQ［7］ || IRQ［9］ || IRQ［10］ || IRQ［11］ || IRQ［12］ || IRQ［14］ || IRQ［15］）；

assign MEMW=（CS3 || WR || LADDR24）；

assign MEMR=（CS3 || RD || LADDR24）；

assign IOW=（CS3 || WR） || （~LADDR24）;

assign IOR=（CS3 || RD） || （~LADDR24）;

使用MAX+Plus部分仿真結果如圖3所示。從波形上可以看出INTI能夠檢測出中斷產生，能夠檢測到MEM和I/O讀寫請求。總線控制器把這些信號輸入到ARM處理器，完成對PC/109總線讀寫的控制。

圖3 讀寫時序仿真波形

3 Linux下的PC/104總線驅動程序的設計

在Linux中，由于有設備文件，所以才能使得用戶非常方便的訪問外部設備，Linux系統為外部設備提供一種標準接口，將外部設備視為一種特殊文件，可以像訪問文件一樣訪問一個外部設備。Linux通常將設備分為i種基本類型：字符設備、塊設備和網絡設備。在基于ARM處理器的數控系統中把PC/104總線看作塊設備。下面是PC/104代碼的說明：

nGCS1_VBASE=ioremap（（nGCS1_PHBASE）．2）；

nGCS3_VBASE=ioremap（（nGCS3_PHBASE+BaseAddr+LADDR24），256）；

config=inl（SMCBCR1）；

config &=0xcfffffff； //set nGCSI 8-BIT

outl（config，SMCBCR1）；

config=inl（SMCBCR1）；

config=inl（SMCBCR3）；

config &=0xcfffffff； //set nGCS3 8-BIT

eonfig 1=0x0000fbe0；

outl（config，SMCBCR3）；

config=inI（SMCBCR3）；

兩部分比較主要一部分是初始化SMCBCR1和SMCBCR3。另一部分是：一個是PC/104的基地址，另一個是讀PC/104中斷的基地址。這兩個要在初始化時就要給定：

nGCS1_VBASE=ioremap（（nGCS_PHBASE），2）；

nGCS3_VBASE=ioremap（（nGCS3_PHBASE+BaseAddr+LADDR24），256）；

其中uGCS1_VBASE為讀中數的nGCS3_VBASE為PC/104MEM的基地址。用操作系統擔供的函數outl、inl可操作寄存器。

4 結語

本文創新點：提出一種基于ARM EP9315處理器的數控系統上支持PC/104總線的方案．主要描述了ARM數控系統中的PC/104總線控制器的設計與實現，使用CPLD和Verilog HDL語言。實現了EP9315對PC/104總線讀寫信號的控制和中斷處理。完成了Linux下的PC/104總線控制器的驅動程序．提供了基于ARM處理器的數控系統的PC/104總線解決方法．彌補了ARM處理器對于PC/104總線的支持不足缺點，使得ARM處理器能夠更廣泛的應用于數控領域。

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