高速紅外VFIR控制器的設計與實(shí)現

PCI（Peripheral Component Interconnect）局部總線(xiàn)[1]是一種高性能、32位或64位地址數據多路復用的同步總線(xiàn)。它的用途是在高度集成的外設控制器件、擴展卡和處理器/存儲器系統之間提供一種內部的連接機構，它規定了互連機構的協(xié)議、機械以及設備配置空間。PCI局部總線(xiàn)因具有極小延遲時(shí)間、支持線(xiàn)性突發(fā)數據傳輸、兼容性能以及系統能進(jìn)行全自動(dòng)配置等特點(diǎn)受到業(yè)界青睞。PCI總線(xiàn)規范2.1版本還定義了由32位數據總線(xiàn)擴充為64位總線(xiàn)的方法，使總線(xiàn)寬度擴展，并對32位和64位PCI局部總線(xiàn)外設做到向前和向后兼容。

目前微機之間的紅外通信是基于IRDA-1.1標準的紅外無(wú)線(xiàn)串行SIR通信，參考文獻[2]給出了基于ISA總線(xiàn)的紅外無(wú)線(xiàn)串行通信卡的設計及實(shí)現，該通信卡的數據速率為9.6kbps～115.2kbps，工作距離0～3m。但由于RS-232端口的最高數據速率上限為115.2kbps，不能滿(mǎn)足IRDA-1.4規范甚高速紅外VFIR 16Mbps速率要求，所以使用了PCI同步總線(xiàn)擴展外設的方法設計甚高速紅外控制器。雖然ISA總線(xiàn)的傳輸速率能滿(mǎn)足甚高速紅外控制器設計要求，但目前許多微機系統已經(jīng)逐漸淘汰ISA/EISA標準總線(xiàn)。原因是高速微處理器和低速I(mǎi)SA總線(xiàn)之間不同步，造成擴展外設只能通過(guò)一個(gè)慢速且狹窄的瓶頸發(fā)送和接收數據，使CPU高性能受到嚴重影響。

1 HHH（1,13）編解碼

2001年5月，紅外無(wú)線(xiàn)數據協(xié)會(huì )IRDA發(fā)布了紅外串行物理層規范IRDA-1.4[4]；它與前期發(fā)布的物理層規范的主要區別在于增加甚高速紅外VFIR 16Mbps數據速率的編解碼技術(shù)和幀結構，而其它如視角范圍、發(fā)射器最?。ù螅┕夤β屎徒邮掌黛`敏度等規范基于相同。紅外串行物理層規范IRDA-1.4規定數據速率小于4Mbps采用RZI（歸零反轉）調制，最大脈沖寬度是位周期的3/16或1/4；數據速率4Mbps采用4PPM（脈沖位置調制）；數據速率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折中的高效編碼，其中參數d、k分別表示在兩個(gè)'1'之間最小和最大的'0'的數目，參數d決定接收信號中有無(wú)碼間干擾ISI，參數k決定接收器能否從接收序列中恢復時(shí)鐘。HHH(1,13)碼的帶寬效率使數據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距離范圍內保持鏈接。1m距離16Mbps鏈路可達到過(guò)去4Mbps鏈路的驅動(dòng)電流和功耗。HHH（1,13）碼和4PPM碼（用于4Mbps）的顯著(zhù)區別是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，脈沖之間應該保持一個(gè)chip時(shí)間差。由于光電管工作區域內有少量載流子的慢輻射，使LED或光電二極光表現出拖尾效應，HHH（1,13）碼能夠兼容拖尾效應，從而允許在chip時(shí)間周期內脈沖的擴展。

雖然HHH（1,13）碼的設計過(guò)程比較復雜，但IRDA-1.4標準已經(jīng)詳細給出了編譯碼邏輯方程和電路，所以實(shí)現起來(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)驗系統進(jìn)行硬件偽真，驗證HHH（1,13）碼編譯碼電路設計的正確性。

2 甚高速紅外VFIR控制器的硬件設計

由于PCI總線(xiàn)規定了嚴格的電氣特性，開(kāi)發(fā)PCI總線(xiàn)的應用具有很大難度，因此使用AMCC（Applied Micro Corporation）公司推出的PCI接口控制器S5933實(shí)現紅外控制器PCI總線(xiàn)接口規范[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系列現場(chǎng)可編程門(mén)陣列器件實(shí)現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、編解碼以及串/并轉換）。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，然后主機通過(guò)直通（PassThru）寄存器數據訪(fǎng)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控制命令發(fā)出控制信號，使整個(gè)紅外控制器處于準備狀態(tài)。當上層協(xié)議發(fā)出數據發(fā)送事件時(shí)，紅外接口控制邏輯發(fā)出消息，通知主機啟動(dòng)S5933總線(xiàn)主控讀操作，把上層數據寫(xiě)到外部紅外TXFIFO數據緩沖器；同時(shí)紅外接口控制邏輯根據TXFIFO狀態(tài)把TXFIFO的數據發(fā)送到紅外收發(fā)器接口，進(jìn)行鎖存、并/串轉換、CRC校驗和編碼，最后通過(guò)VFIR收發(fā)器發(fā)送數據。同理VFIR收發(fā)器接收到的數據經(jīng)過(guò)譯碼、CRC校驗、串/并轉換和鎖存，寫(xiě)入RXFIFO數據緩沖器。紅外接口控制邏輯觸發(fā)上層協(xié)議發(fā)出數據接收事件接收數據，主機啟動(dòng)S5933總線(xiàn)主控寫(xiě)操作向上層協(xié)議遞交數據，數據傳輸完成上層協(xié)議發(fā)回消息，通知數據接收完成。下面重點(diǎn)分析S5933與紅外TX/RXFIFO、紅外寄存器組訪(fǎng)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(xiàn)接口：PCI總線(xiàn)接口、擴充總線(xiàn)接口和非易失性EEPROM總線(xiàn)接口。非易失性EEPROM用于映射PCI的配置空間及設備BIOS的初始化；擴充總線(xiàn)可以與外設設備互連。主機和外設之間可以利用S5933的郵箱寄存器、FIFO寄存器、直通寄存器（Pass-Thru）數據傳輸方式雙向傳輸數據。

紅外寄存器組包括紅外接口控制寄存器和狀態(tài)寄存器。本文中甚高速紅外控制利用S5933直通寄存器單周期數據傳送向紅外接口控制寄存器寫(xiě)控制字，由Pass-Thru邏輯控制電路把地址和數據分離開(kāi)，直通地址寄存器（APTA）經(jīng)374鎖存并譯碼，選通紅外接口控制寄存器，同時(shí)把直通數據寄存器（PTDA）的低字寫(xiě)入紅外控制器；該接口控制寄存器的數據寬度為16位，包括紅外控制器始能、工作模式（UART、SIR、MIR、FIR、VFIR）的設置，接收或發(fā)送數據的選擇以及滿(mǎn)足SIR模式下多波特率的分頻數。紅外接口控制寄存器結構定義如圖2。

同理使用直通寄存器方式獲取紅外接口狀態(tài)寄存器的狀態(tài)。紅外接口狀態(tài)寄存器結構定義如圖3。

為滿(mǎn)足高速數據傳輸，利用S5933 FIFO寄存器總線(xiàn)主控方式下的同步猝發(fā)（Burst）操作（DMA傳送）完成主機與紅外TX/RXFIFO的數據傳輸。PCI接口首先初始化S5933作為總線(xiàn)主控設備，然后由PCI接口向主控讀/寫(xiě)地址寄存器（MRAR/MWAR）寫(xiě)入要訪(fǎng)問(wèn)的PCI存儲空間地址，向主控讀/寫(xiě)計數器（MRTC/MWTC）寫(xiě)入要傳輸的字節數。S5933提供了4個(gè)專(zhuān)用引腳RDFIFO#、WRFIFO#、RDEMPY#和WREULL#控制內部FIFO與外部FIFO的數據傳輸接口邏輯。接收/發(fā)送FIFO的數據寬度都是32位，分別由4片8位數據總線(xiàn)的IDT72220 FFO數據位擴展實(shí)現。該FIFO既為PCI接口提供數據緩沖，又為紅外收發(fā)器接口提供訪(fǎng)問(wèn)數據。S5933與紅外TX/RXFIFO、紅外寄存器組的數據訪(fǎng)問(wèn)控制邏輯如圖4。