基于FPGA的計算機故障診斷系統設計

李衛兵 ， 王洪國 ， 胡 波 ， 史傳寶

（1.濱州學院 物理與電子科學系，山東 濱州 256600；2.濱州學院 飛行學院，山東 濱州 256600；3.濱州學院 航空信息技術研發中心，山東 濱州 256600）

計算機在當今社會作為一個重要的工具使用已經很普遍，但是人們也為其故障影響工作而煩惱，而計算機都是板卡設計，非專業人員若是能借助計算機故障診斷系統診斷出故障所在，自己維修也是可行的。利用計算機的加電自檢[1]（POST——Power-on self Test英文縮寫），在計算機啟動的時候寫入在BIOS芯片中的自檢程序就會自動啟動[2]。啟動后它首先對 CPU、內存、顯卡、硬盤、光驅/軟驅等硬件部位進行檢查，并分析對比系統的原始配置情況，以及對基本輸入/輸出（I/O）端口和對其它的外部設備進行初始化，檢測出無異常，將引導并加載操作系統，檢測出異常，將會使加電自檢程序掛起。若能根據計算機加電自檢原理，設計一故障診斷系統，以文字的形式給出故障原因，則可以提高維修效率。目前，市場上有一些主板檢測卡，但經常出現走碼、跳碼現象，使得一些錯誤代碼不能準確的檢測出來。本文給出一種基于FPGA和PCI總線的計算機故障智能診斷系統。以Altera公司的Cyclone II系列EP2C5T144C8N為信號處理模塊電路，以PCI總線接口電路作為與電腦主板的通信的接口。采用VHDL硬件描述語言在FPGA上設計硬件電路實現數據存儲，分析，提取等一系列處理，以漢字的形式在液晶上顯示出電腦硬件故障，檢測速度快，系統性能可靠，準確率高，顯示直觀。

1 系統的總體方案設計

設計中采用的是Altera公司的CyClone II（颶風）系列的低成本FPGA——EP2C5T144C8N，其觸發器模塊的最大延遲時間在800 ps以下，支持最高50 MHz的工作頻率，足夠滿足33M SPS采樣速率的PCI數據采集，而且該型號的FPGA還可嵌入51內核，這一特性對于時序的設計是很方便的。

系統硬件電路包括地址、數據譯碼電路、時鐘電路、數據處理電路、數據鎖存電路、狀態機控制電路、單片機系統設計等，總體結構框圖如圖1所示。

圖1 總體結構框圖Fig.1 Overall structure diagram

2 PCI總線操作時序

根據PCI總線協議，PCI總線上所有的數據基本上是FRMAE#，IRDY#，TRDY#3條信號線控制的[3-4]。 本設計中用到的主要是寫操作，重點分析寫操作的時序關系。PCI基本寫操作時序如圖2所示，在FRAME#有效后的第一個時鐘周期內，AD上傳輸的是要寫入目標PCI設備的地址信息，C/BE#上傳輸的是命令類型（I/O寫命令為0011），DEVSEL#信號有效后，表明目標PCI設備已經被選擇到，IRDY#和TRDY#同時有效后，主PCI設備向目標PCI設備中傳輸要寫入的數據，在第5個時鐘周期時，IRDY#和TRDY#同時變為無效狀態，AD總線上被插入一個等待周期，第6和第7個時鐘周期時，IRDY#有效，但是TRDY#無效，傳輸仍然不能有效進行，總線上被繼續插入兩個等待周期，第8個時鐘周期時，IRDY#和TRDY#都有效，數據傳輸繼續。

3 FPGA信號處理電路設計

3.1 地址、數據譯碼電路

地址數據譯碼器電路的FPGA設計如圖3所示，其工作為譯出80H的地址，在下一個時鐘上升沿時讀出數據，并將其引出至數據處理電路的片選信號端進行數據處理。由于PCI總線是地址數據復用的總線，為獲取80H端口的信息需要把地址數據分開。本設計中用到的主要是寫操作，寫操作時序如下。

圖2 PCI寫操作時序圖Fig.2 Diagram of PCI write operation sequence

圖3 地址數據譯碼電路Fig.3 Address data decoding circuit

當framej（j或#表示低電平有效）有效時，總線傳輸開始，在 data[7：：0]上保持有效的地址信號，同時 comd[3 ：：0]上保持一個總線命令。如果總線命令為0011b（存儲器寫命令），同時data[7：：0]上的地址又在目標設備的地址范圍內，該設備將置devselj信號有效，由于地址和數據都是由主設備提供，不存在data[7::0]切換驅動問題，所以第一個數據節拍產生于第二個時期周期。在這個數據內，comd[3::0]信號是字節允許，表示數據總線的data[7::0]字節有效。主設備在接下來的每個時鐘周期的上升沿檢查trdyj信號，如果trdyj為高電平，表示從設備沒有準備好，主設備自動插入等待周期，反之，將傳送數據，完成一個數據節拍。當主設備是framej從有效變為無效，表示當前是最后一個數據節拍。在寫周期里，只要framej有效，則下一個周期即可以接收數據，利用這一點，可以為檢碼帶來方便。

3.2 數據處理單元

數據處理單元的功能是根據狀態的轉換對實時鎖存的信息進行選擇，數據處理電路的設計主要的就是設計數據選擇器。由鎖存器將不同的檢測信息鎖存住，然后后續的數據進行對比，通過這些選擇器，將沒用的數據代碼篩選掉，然后傳遞給51單片機處理，并將其顯示在液晶屏上。數據處理電路[5]如圖4所示。

圖4 數據處理電路Fig.4 Data processing circuit

3.3 鎖存電路

鎖存電路如圖5，其中左邊的電路是對地址、數據電路檢測的POST原代碼鎖存，右邊所示的鎖存器是對處理過后的代碼信息的鎖存，其輸出直接連接單片機，與單片機系統的始終匹配。

以上設計中使用的信號：

clk:總線時鐘輸入。

cmd[3::0]:命令/字節使能，即總線中的 cbej。

framej:由總線主控驅動，指明傳輸的起始時間和終止時間。

resetj:重新啟動（重新分配地址）信號。

3.4 狀態控制電路

根據以上的分析，整個系統有4個狀態，用圓圈表示，如圖6所示，分別記為：

start：系統為開始工作的狀態；

idle：總線資源被CPU或其他設備占用的狀態，此時的標志是 framej=1；

圖5 鎖存電路Fig.5 Latch circuit

port right：系統剛檢測到計算機準備往80H端口寫信息的狀態；

data2buffer：所需要的數據已經寫入緩沖區的狀態。

另外，還有一個執行動作，即把數據寫入緩沖區動作，是在時鐘周期的間隙完成的。

圖6 狀態轉換圖Fig.6 State transition diagram

4 單片機控制電路

單片機控制電路采用AT89S52單片機，由復位電路、時鐘電路、程序下載電路組成。SPI（Serial Peripheral Interface）總線系統是一種同步串行外設接口[6]，它可以使MCU與各種外圍設備以串行方式進行通信以交換信息。SPI總線系統可直接與各個廠家生產的多種標準外圍器件直接接口，該接口一般使用4條線：串行時鐘線（SCK）、主機輸入/從機輸出數據線MISO、主機輸出/從機輸入數據線MOSI和低電平有效的從機選擇線SS。本系統利用單片機自帶的SPI總線下載程序，可實現在線編程。

5 軟件設計及實現

實現數據的采集、轉換、存儲、處理和I/O等功能，它把從通過PCI總線獲得的計算機主板數據經過接收、鎖存（分頻、選擇）、譯碼，最終送至51單片機。然后經過51單片機處理后送至液晶顯示。其程序流程圖[2]如圖7所示。

6 結 論

本設計給出一種基于FPGA和PCI總線的計算機故障智能診斷系統。該系統以Altera公司的Cyclone II系列EP2C5T144C8N控制核心為，以PCI總線接口電路作為與電腦主板的通信的接口。根據計算機自身的加電自檢原理，采用VHDL硬件描述語言在FPGA上設計硬件電路實現數據存儲，分析，提取等一系列處理，以漢字的形式在液晶上顯示出電腦硬件故障。為了提高系統的可靠性和準確度，實行模塊化電路設計，單元電路包括：地址譯碼單元、數據譯碼單元、數據處理單元、狀態及控制單元、電源診斷電路單元、液晶顯示單元，系統性能可靠，準確率高，顯示直觀。

圖7 程序流程圖Fig.7 Program flow chart

[1]劉福勝.計算機加電自檢與故障診斷卡的使用[J].電子世界，2003（11）:15-16.

LIU Fu-sheng.Using of card in computers electricity selfinspection and fault diagnosis[J].The Electronic World，2003（11）:15-16.

[2]李曉莉，甘明.基于PCI總線的主板診斷卡設計[J].電子技術，2007（3）:156-158.

LI Xiao-li，GAN Ming.Post card design based on PCI Bus[J].Electronic Technology，2007（3）:156-158.

[3]趙敏.基于FPGA實現的PCI數據采集卡的研究[D].太原:華北工學院，2002.

[4]潘松，黃繼業.EDA技術與VHDL[M].3版.北京:清華大學出版社，2009.

[5]李衛兵，王洪國.一種基于FPGA的計算機硬件診斷裝置：中國，ZL 201120450587.8[P]，2012.

[6]何志宏，丁楚平，吳俊.基于PicoBlaze的SPI核設計與實現[J].微處理機，2010（2）:86-89.

HE Zhi-hong，DING Chu-ping，WU Jun.The SPll pcore design and realization based on PicoBlaze[J].Microprocessors，2010（2）:86-89.