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基于FPGA开发的CPCI总线多功能卡及WDM驱动程序设计与实现

作　者: 方明
导　师: 周玲玲；林建中
学　校: 上海交通大学
专　业: 电子与通信工程
关键词: 兼容的外围设备互连总线现场可编程阵列知识产权核通用异步收发器设备驱动
分类号: TN402
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 252次
引　用: 2次
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内容摘要

随着集成电路设计方法的迅速发展,基于IP(Intellectual Property)核的电路设计方法正广泛应用到各类通信接口电路设计中,该方法不仅能提高设计效率、缩短产品的设计周期,而且所建立的IP库能为今后的设计降低成本。采用CPCI(Compact Peripherial Component Interface)总线的通信板卡被广泛地应用在军事、工业控制、电信等领域。它兼容PCI总线,且具有传输速度快、可靠性高、兼容性好等特点,但是基于CPCI总线的通用串行通信接口卡,大多采用国外的芯片,昂贵的价格导致设计成本很高,关键是缺乏自主知识产权。本论文所进行的基于FPGA开发的CPCI总线多功能卡及WDM驱动程序设计属于自主研发,因而具有现实意义和实际应用价值。论文首先对CPCI总线协议以及UART数据传输格式及两个软核的功能和结构进行深入的分析,详细讨论了各功能模块的设计与实现方法;并在PCI软核设计中考虑可靠的代码设计,为了解决PCI接口与用户接口之间的不同时钟域之间数据的传输,提出了采用改进型格雷码指针方式和同步器并用的设计方法实现异步FIFO。另外,在UART的动态扩展电路中提出了一种即节省中断资源又保持实时性和高可靠性的中断管理机制;接着利用QuartusII工具分别对两个软核进行了功能仿真以及两个软核综合之后的时序仿真,并通过实现PCI总线多端口通用串行通信卡的硬件电路设计,采用逻辑分析工具SignalTap II对验证板进行了验证,仿真和验证结果都表明所设计的两个软核分别符合PCI总线规范V2.2版本和UART数据传输协议;另外,讨论了在验证板PCB布线中的关键问题;最后,对使用WDM技术开发设备驱动程序进行了论述,开发了在Windows2000下具有即插即用的PCI总线的多串口卡驱动程序,并编写了相应的应用程序对其进行测试。测试结果表明该通信卡能被PC机识别并得到分配资源空间,同时在设备管理器中枚举出多个串口。通过应用程序的连续测试,显示数据传输正确且系统硬件电路和驱动程序工作正常,从而进一步证明了本文设计的两个软核是可用的,通过复用软核的方法实现多串口的动态扩展是可行的。基于FPGA实现的PCI总线接口IP核和UART核而设计的通信卡具有很好的灵活性和核的可移植性,该设计方法在相关集成电路设计领域具用较好的参考和应用价值。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-13
第1章绪论  13-16
  1.1 课题背景  13
  1.2 国内外研究现状与发展趋势  13-14
  1.3 论文的主要工作和内容安排  14-16
第2章设计方法基础与CPCI 总线技术研究  16-23
  2.1 设计方法基础  16-18
    2.1.1 FPGA 技术及其设计流程  16-17
    2.1.2 IP 核重用技术  17-18
  2.2 CPCI 总线技术研究  18-22
    2.2.1 CPCI 总线系统结构  18-19
    2.2.2 CPCI 总线协议  19-22
  2.3 本章小结  22-23
第3章 PCI 总线从设备IP核以及异步FIFO设计  23-45
  3.1 PCI IP 核的总体设计  23-24
  3.2 PCI 从设备各功能模块设计  24-35
    3.2.1 命令/地址译码电路  24-27
    3.2.2 奇偶校验位产生电路以及奇偶校验检测电路  27-30
    3.2.3 配置空间电路  30-33
    3.2.4 可靠的目标状态机电路  33-35
  3.3 异步FIFO 存储器设计  35-44
    3.3.1 异步FIFO 存储器的结构  36
    3.3.2 异步FIFO 设计的关键问题以及处理方法  36-39
    3.3.3 采用改进型格雷码指针和同步器实现异步FIFO  39-44
  3.4 本章小结  44-45
第4章 UART IP核及其UART复用控制电路设计  45-61
  4.1 UART 软核总体设计  45-49
    4.1.1 UART 数据传输协议  45-46
    4.1.2 UART 软核的设计要求  46
    4.1.3 UART 软核设计框架  46-49
  4.2 UART 各功能模块的设计  49-58
    4.2.1 读写控制模块  49-50
    4.2.2 接收/发送FIFO 模块  50-52
    4.2.3 波特率发生器  52
    4.2.4 发送模块  52-55
    4.2.5 接收模块  55-58
    4.2.6 Modem 模块  58
  4.3 UART 复用控制电路  58-60
  4.4 本章小结  60-61
第5章功能仿真和电路设计  61-73
  5.1 功能仿真  61-66
  5.2 硬件电路设计  66-72
    5.2.1 FPGA 电路设计  67-68
    5.2.2 串行通信接口电路  68-70
    5.2.3 扩展电路及其软件设计流程  70-71
    5.2.4 验证板卡的PCB 设计  71-72
  5.3 本章小结  72-73
第6章板卡设备驱动设计及其板级验证  73-84
  6.1 设备驱动程序的开发  73-78
    6.1.1 WDM 驱动程序简介  73-74
    6.1.2 PCI 总线设备驱动程序开发的具体实现  74-78
  6.2 包装驱动程序和应用程序开发  78-80
    6.2.1 DLL 的建立  78
    6.2.2 应用程序开发  78-80
  6.3 板卡逻辑验证  80-83
  6.4 本章小结  83-84
第7章总结与展望  84-86
  7.1 总结  84-85
  7.2 展望  85-86
参考文献  86-88
缩略语表  88-89
致谢  89-90
攻读学位期间录用或发表的学术论文  90

基于FPGA开发的CPCI总线多功能卡及WDM驱动程序设计与实现

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