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高速紅外VFIR控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
摘要：根據(jù)IRDA紅外串行物理層規(guī)范IRDA-1.4設(shè)計(jì)基于PCI總線的甚高速VFIR紅外控制器，詳細(xì)分析了控制器的硬件和軟件設(shè)計(jì)方法及實(shí)現(xiàn)過(guò)程。設(shè)計(jì)中使用PCI總線主控接口芯片S5933，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的PCI總線接口到相對(duì)簡(jiǎn)單的用戶接口功能轉(zhuǎn)換；使用FPGA實(shí)現(xiàn)紅外控制器的傳輸控制和時(shí)序邏輯。PCI（Peripheral Component Interconnect）局部總線[1]是一種高性能、32位或64位地址數(shù)據(jù)多路復(fù)用的同步總線。它的用途是在高度集成的外設(shè)控制器件、擴(kuò)展卡和處理器/存儲(chǔ)器系統(tǒng)之間提供一種內(nèi)部的連接機(jī)構(gòu)，它規(guī)定了互連機(jī)構(gòu)的協(xié)議、機(jī)械以及設(shè)備配置空間。PCI局部總線因具有極小延遲時(shí)間、支持線性突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸、兼容性能以及系統(tǒng)能進(jìn)行全自動(dòng)配置等特點(diǎn)受到業(yè)界青睞。PCI總線規(guī)范2.1版本還定義了由32位數(shù)據(jù)總線擴(kuò)充為64位總線的方法，使總線寬度擴(kuò)展，并對(duì)32位和64位PCI局部總線外設(shè)做到向前和向后兼容。
目前微機(jī)之間的紅外通信是基于IRDA-1.1標(biāo)準(zhǔn)的紅外無(wú)線串行SIR通信，參考文獻(xiàn)[2]給出了基于ISA總線的紅外無(wú)線串行通信卡的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)，該通信卡的數(shù)據(jù)速率為9.6kbps～115.2kbps，工作距離0～3m。但由于RS-232端口的最高數(shù)據(jù)速率上限為115.2kbps，不能滿足IRDA-1.4規(guī)范甚高速紅外VFIR 16Mbps速率要求，所以使用了PCI同步總線擴(kuò)展外設(shè)的方法設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)要求，但目前許多微機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)逐漸淘汰ISA/EISA標(biāo)準(zhǔn)總線。原因是高速微處理器和低速I(mǎi)SA總線之間不同步，造成擴(kuò)展外設(shè)只能通過(guò)一個(gè)慢速且狹窄的瓶頸發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，使CPU高性能受到嚴(yán)重影響。
1 HHH（1,13）編解碼
2001年5月，紅外無(wú)線數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)IRDA發(fā)布了紅外串行物理層規(guī)范IRDA-1.4[4]；它與前期發(fā)布的物理層規(guī)范的主要區(qū)別在于增加甚高速紅外VFIR 16Mbps數(shù)據(jù)速率的編解碼技術(shù)和幀結(jié)構(gòu)，而其它如視角范圍、發(fā)射器最�。ù螅┕夤β屎徒邮掌黛`敏度等規(guī)范基于相同。紅外串行物理層規(guī)范IRDA-1.4規(guī)定數(shù)據(jù)速率小于4Mbps采用RZI（歸零反轉(zhuǎn)）調(diào)制，最大脈沖寬度是位周期的3/16或1/4；數(shù)據(jù)速率4Mbps采用4PPM（脈沖位置調(diào)制）；數(shù)據(jù)速率16Mbps采用HHH（1,13）碼。
IRDA提出的VFIR編解碼技術(shù)-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(duì)折中的高效編碼，其中參數(shù)d、k分別表示在兩個(gè)'1'之間最小和最大的'0'的數(shù)目，參數(shù)d決定接收信號(hào)中有無(wú)碼間干擾ISI，參數(shù)k決定接收器能否從接收序列中恢復(fù)時(shí)鐘。HHH(1,13)碼的帶寬效率使數(shù)據(jù)通信能夠選擇成本很低、上升/下降時(shí)間為19ns的LED。功率效率避免了LED的熱問(wèn)題，它能保證1m距離范圍內(nèi)保持鏈接。1m距離16Mbps鏈路可達(dá)到過(guò)去4Mbps鏈路的驅(qū)動(dòng)電流和功耗。HHH（1,13）碼和4PPM碼（用于4Mbps）的顯著區(qū)別是HHH(1,13)碼決不允許一個(gè)紅外脈沖緊跟前一個(gè)紅外脈沖，脈沖之間應(yīng)該保持一個(gè)chip時(shí)間差。由于光電管工作區(qū)域內(nèi)有少量載流子的慢輻射，使LED或光電二極光表現(xiàn)出拖尾效應(yīng)，HHH（1,13）碼能夠兼容拖尾效應(yīng)，從而允許在chip時(shí)間周期內(nèi)脈沖的擴(kuò)展。
雖然HHH（1,13）碼的設(shè)計(jì)過(guò)程比較復(fù)雜，但I(xiàn)RDA-1.4標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)詳細(xì)給出了編譯碼邏輯方程和電路，所以實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較容易。筆者使用Altera MAX plus II進(jìn)行邏輯功能仿真，并用GW48 EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行硬件偽真，驗(yàn)證HHH（1,13）碼編譯碼電路設(shè)計(jì)的正確性。
2 甚高速紅外VFIR控制器的硬件設(shè)計(jì)
由于PCI總線規(guī)定了嚴(yán)格的電氣特性，開(kāi)發(fā)PCI總線的應(yīng)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(shí)現(xiàn)紅外控制器PCI總線接口規(guī)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(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列器件實(shí)現(xiàn)S5933與紅外TX/RXFIFO、寄存器的傳輸控制和邏輯時(shí)序以及紅外接口控制邏輯和紅外收發(fā)器接口功能模塊（CRC校驗(yàn)、編解碼以及串/并轉(zhuǎn)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(jī)通過(guò)直通（PassThru）寄存器數(shù)據(jù)訪問(wèn)方式向紅外接口控制寄存器寫(xiě)控制命令[3]。紅外接口控制邏輯根據(jù)控制命令發(fā)出控制信號(hào)，使整個(gè)紅外控制器處于準(zhǔn)備狀態(tài)。當(dāng)上層協(xié)議發(fā)出數(shù)據(jù)發(fā)送事件時(shí)，紅外接口控制邏輯發(fā)出消息，通知主機(jī)啟動(dòng)S5933總線主控讀操作，把上層數(shù)據(jù)寫(xiě)到外部紅外TXFIFO數(shù)據(jù)緩沖器；同時(shí)紅外接口控制邏輯根據(jù)TXFIFO狀態(tài)把TXFIFO的數(shù)據(jù)發(fā)送到紅外收發(fā)器接口，進(jìn)行鎖存、并/串轉(zhuǎn)換、CRC校驗(yàn)和編碼，最后通過(guò)VFIR收發(fā)器發(fā)送數(shù)據(jù)。同理VFIR收發(fā)器接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)譯碼、CRC校驗(yàn)、串/并轉(zhuǎn)換和鎖存，寫(xiě)入RXFIFO數(shù)據(jù)緩沖器。紅外接口控制邏輯觸發(fā)上層協(xié)議發(fā)出數(shù)據(jù)接收事件接收數(shù)據(jù)，主機(jī)啟動(dòng)S5933總線主控寫(xiě)操作向上層協(xié)議遞交數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸完成上層協(xié)議發(fā)回消息，通知數(shù)據(jù)接收完成。下面重點(diǎn)分析S5933與紅外TX/RXFIFO、紅外寄存器組訪問(wèn)控制邏輯以及紅外接口控制邏輯和紅外接發(fā)器接口功能。
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(gè)物理總線接口：PCI總線接口、擴(kuò)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(shè)備BIOS的初始化；擴(kuò)充總線可以與外設(shè)設(shè)備互連。主機(jī)和外設(shè)之間可以利用S5933的郵箱寄存器
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