基于CPLD的系统总线和PC/104总线转换桥设计

摘要

在嵌入式仪器领域，基于成本的考虑仍然存在着大量的PC/104体系结构。随着PC/104+和PCI/104-E新技术的产生，PC/104体系结构对新技术的兼容问题逐渐引起行业的关注。如果直接采用PC/104+和PCI/104-E模块替换PC/104模块，或者直接去掉PC/104体系结构，重新搭建PC/104+和PCI/104-E体系结构，都将带来巨大的设计、制造成本。如何平衡好技术和成本的矛盾，是个棘手的问题。
　　采用总线桥接技术则能较好的解决上述矛盾，对其技术的研究具有一定的应用价值。目前国内外对总线桥接技术的研究主要采用基于专用协议芯片的方法，基于可编程逻辑器件的方法较少。
　　通过技术比对，本文介绍了一种基于可编程逻辑器件CPLD而非FPGA的方法来设计总线桥接模块，实现在PC/104体系结构上扩展PC/104+和PCI/104-E模块，完成PCI和PC/104、PCI-E和PC/104总线之间的通信协议转换。
　　本文的主要工作如下：
　　（1）针对在接口实现、总线转换研究中采用专用协议芯片的方法造成的“一对一”单一转换、资源浪费的情况，设计了基于CPLD实现总线转换的硬件架构，主要包括PC/104、PCI和PCI-E逻辑接口设计，电源模块设计，双向异步FIFO数据缓存模块设计，PC/104、PCI和PCI-E物理接口设计。该设计进行了两种总线和一种总线转换通信的研究。
　　（2）充分利用CPLD的IO资源，进行逻辑接口模块硬件电路设计和逻辑控制设计，实现了总线之间信号的对应连接，并保证板级信号的完整性。介绍了物理接口的具体尺寸和双向异步FIFO数据缓冲模块的设计方法。
　　（3）针对软件提供的三种FIFO优化方案都是基于一定程度而言，没有针对性。本文结合实际情况，设计优化双向异步FIFO数据缓冲模块的原理、决定FIFO深度的原理和总线转换通信的原理，通过硬件编程和软件仿真验证了设计的可靠性。

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第一章 引言

1.1 系统总线发展

1.2 课题背景及研究意义

1.3 论文内容安排

第二章 桥接模块方案设计

2.1 国内外研究现状

2.2 课题设计方案

2.3 本章小结

第三章 系统总线规范

3.1 PC/104总线

3.2 PCI总线

3.3 PCI Express总线

3.4 解决规范间的差异

3.5 本章小结

第四章 总线转换桥硬件设计

4.1 物理接口

4.2 CPLD介绍

4.3 PC/104-CPLD接口电路

4.4 PCI-CPLD接口电路

4.5 PCI Express-CPLD接口电路

4.6 电源电路

4.7 双向异步FIFO模块

4.8 本章小结

第五章 总线转换桥逻辑设计与验证

5.1 双向异步FIFO逻辑

5.2 PCI和PC/104通信逻辑

5.3 PCIE和PC/104通信逻辑

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

致谢

参考文献

附录A 攻读学位期间发表的学术论文

附录B 引脚信号图

附录C 硬件设计相关图

附录D 逻辑设计程序