數(shù)字化儀控平臺(tái)中基于AT96總線的數(shù)據(jù)交互設(shè)計(jì)

伍巧鳳，賀 理，李 昱，孫詩炎，王明星

（核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610213）

0 引言

數(shù)字化儀控平臺(tái)[1,2]中控制器單元通過背板AT96總線與各功能單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，以實(shí)現(xiàn)了不同功能需求[3]。AT96總線是由德國西門子公司發(fā)起制定的工控機(jī)總線標(biāo)準(zhǔn)，其作為ISA總線的兼容協(xié)議，采用PC的Wintel架構(gòu)，具有抗沖擊力強(qiáng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)合理、適合工業(yè)現(xiàn)場使用，易于維護(hù)等特點(diǎn)。AT96總線內(nèi)存使用機(jī)制與PC計(jì)算機(jī)完全一致。控制器單元的內(nèi)存只能有640K～1M內(nèi)存區(qū)間，并且這里面的大多數(shù)內(nèi)存已經(jīng)被顯卡等設(shè)備占用，因而可以使用的空間很小，基本上只能提供一個(gè)幾十KB的頁面給功能單元使用，但若功能單元數(shù)量眾多，顯然無法滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，所以需要通過一種機(jī)制來擴(kuò)展內(nèi)存。因此，采用內(nèi)存分段和頁面擴(kuò)充技術(shù)，將一個(gè)內(nèi)存空間擴(kuò)充為多個(gè)頁面，來實(shí)現(xiàn)控制器單元與多個(gè)功能單元的信息交互，并且在系統(tǒng)中通過180°跟隨機(jī)制來防止控制器對功能單元的訪問沖突。

圖1 數(shù)字化儀控平臺(tái)構(gòu)架Fig.1 Digital instrument control platform architecture

圖2 內(nèi)存地址分配圖Fig.2 Memory address assignment diagram

1 數(shù)字化儀控平臺(tái)構(gòu)架

數(shù)字化儀控平臺(tái)由主控制器、AT96總線、智能IO功能單元（模擬量輸入單元、模擬量輸出單元、開關(guān)量輸入單元、開關(guān)量輸出單元、以太網(wǎng)通信單元、CAN通信單元等）組成，其構(gòu)架見圖1。

IO功能單元為智能設(shè)計(jì)，各功能單元自帶微處理器，獨(dú)立進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，數(shù)據(jù)存放于各功能單元的雙口RAM。控制器通過AT96總線與功能單元雙口RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

2 數(shù)據(jù)交互設(shè)計(jì)

2.1 內(nèi)存分配

一般控制器的內(nèi)存只能在640K～1M內(nèi)存區(qū)間，并且這里面的大多數(shù)內(nèi)存已經(jīng)被顯卡等設(shè)備占用。因此，可以使用的空間很小，平臺(tái)中的控制器基本上只能提供一個(gè)64KB的頁面給IO功能單元使用，但平臺(tái)中板卡數(shù)量眾多，顯然無法滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，需要通過一種機(jī)制來擴(kuò)展內(nèi)存。

圖2是內(nèi)存地址分配圖。在圖2中，將內(nèi)存分為16個(gè)內(nèi)存段，每個(gè)內(nèi)存段4KB，標(biāo)識(shí)為0～F。例如，第1段內(nèi)存為0xD0000～0xD0FFF，第2段內(nèi)存為0xD1000～0xD1FFF……以此類推。標(biāo)識(shí)為0～E的60KB為用戶內(nèi)存空間，一旦切換以后，為該功能單元獨(dú)占使用。標(biāo)識(shí)為F的4KB為共享區(qū)間，為所有功能單元共用。在共享區(qū)間中，其低端的256Bytes區(qū)間為搶旗幟區(qū)間，其地址為0XDF000～0XDF0FF；其次為頁面選擇區(qū)間，占用256Bytes區(qū)間，其地址為0XDF100～0XDF1FF；依次往上的256Bytes區(qū)間為段地址選擇區(qū)間，其地址為0XDF200～0XDF2FF，剩余的區(qū)間為保留區(qū)間，暫不使用。

2.2 頁面擴(kuò)展

基于2.1節(jié)內(nèi)存分配技術(shù)進(jìn)行頁面擴(kuò)展，本系統(tǒng)將64KB頁面擴(kuò)充成64個(gè)頁面，每個(gè)頁面64KB，以4KB為段單位，包含16個(gè)內(nèi)存段，前15個(gè)內(nèi)存段（編號(hào)0～E）為用戶內(nèi)存空間，用以存儲(chǔ)交互數(shù)據(jù)，每個(gè)功能單元可以根據(jù)實(shí)際需求占用1～15個(gè)內(nèi)存段，第16個(gè)內(nèi)存段（編號(hào)F）作為共享區(qū)間，用于命令發(fā)送等控制使用。

本系統(tǒng)各個(gè)頁面分配如下：

頁面0：為I/O類型功能單元使用區(qū)間，每個(gè)板卡占用一個(gè)4KB內(nèi)存段，最大同時(shí)支持15個(gè)板卡，板卡的內(nèi)存段通過4bit撥碼開關(guān)選擇。

頁面1～8：為隔離CAN通信單元使用區(qū)間，每個(gè)CAN通信單元占用2個(gè)內(nèi)存段，內(nèi)存段通過6bit撥碼開關(guān)選擇，其中3bit為頁面選擇，3bit為內(nèi)存段地址選擇。

頁面9～16：為隔離RS485通信單元使用區(qū)間，每個(gè)RS485通信單元占用2個(gè)內(nèi)存段，內(nèi)存段通過6bit撥碼開關(guān)選擇，其中3bit為頁面選擇，3bit為內(nèi)存段地址選擇。

頁面17～24：為隔離以太網(wǎng)通信單元使用區(qū)間，每個(gè)以太網(wǎng)通信單元占用2個(gè)內(nèi)存段，內(nèi)存段通過6bit撥碼開關(guān)選擇，其中3bit為頁面選擇，3bit為內(nèi)存段地址選擇。

圖3 內(nèi)存頁面擴(kuò)展Fig.3 Memory page extensions

圖4 180°跟隨機(jī)制示意圖Fig.4 Diagram of 180°following mechanism

頁面25～63：系統(tǒng)保留，可擴(kuò)展。

系統(tǒng)內(nèi)存擴(kuò)展由一個(gè)CPLD和雙口RAM來實(shí)現(xiàn)，CPLD負(fù)責(zé)進(jìn)行地址譯碼和命令解析，同時(shí)輸出控制信號(hào)，以及對沖突進(jìn)行檢測。

2.3 180°跟隨機(jī)制

因功能單元為智能設(shè)計(jì)，各功能單元自帶微處理器，所以可在智能單元工作循環(huán)中準(zhǔn)備數(shù)據(jù)的時(shí)刻，與控制器訪問數(shù)據(jù)的時(shí)刻錯(cuò)開180°。即根據(jù)控制器的訪問周期，功能單元自行測算出控制器每兩次訪問周期的中間時(shí)刻，在這個(gè)中間時(shí)刻智能單元準(zhǔn)備數(shù)據(jù)。這樣，即使控制器出現(xiàn)突發(fā)情況，造成訪問功能單元的時(shí)間點(diǎn)提前或者延后，但由于這個(gè)中間時(shí)刻的存在，可以盡最大可能避免控制器訪問功能單元時(shí)出現(xiàn)沖突或者無效。

圖5 時(shí)間片同步示意圖Fig.5 Time slice synchronization diagram

圖6 時(shí)間片同步調(diào)整示意圖Fig.6 Time slice synchronous adjustment diagram

在實(shí)際工作中，功能單元微處理器在空閑時(shí)刻時(shí)，一直監(jiān)視硬件雙口RAM標(biāo)志的訪問變化，并根據(jù)該變化確定控制器的訪問時(shí)刻，每經(jīng)過一段時(shí)間，微處理器都會(huì)評(píng)估自己和控制器之間時(shí)刻的同步性，然后根據(jù)評(píng)估結(jié)果，調(diào)整自己對雙口RAM的訪問時(shí)刻，以實(shí)現(xiàn)與控制器的同步跟隨功能。在這種跟隨機(jī)制下，功能單元會(huì)隨時(shí)測量控制器的訪問周期，隨時(shí)保持與控制器訪問周期錯(cuò)開180°的間隔。

圖5為正常情況下控制器對功能單元的訪問示意圖，功能單元準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)，控制器稍后就可以訪問，二者和諧共處，不會(huì)因此發(fā)生沖突。

當(dāng)運(yùn)行一段時(shí)間后，可能出現(xiàn)圖6所示情況。

在圖6中，控制器和功能單元循環(huán)周期沒有改變，改變是控制器對功能單元的訪問時(shí)刻，導(dǎo)致控制器每次訪問功能單元時(shí)，均與功能單元數(shù)據(jù)準(zhǔn)備相沖突，從而只能放棄當(dāng)前時(shí)間片。功能單元微處理器記錄每次控制器的訪問時(shí)間點(diǎn)，當(dāng)其探測這種沖突情況后，功能單元會(huì)自動(dòng)避開控制器的訪問時(shí)間點(diǎn)，前移自己的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備周期，從而有效處理沖突的情況。功能單元在前移時(shí)，可以計(jì)算好時(shí)間，使得數(shù)據(jù)準(zhǔn)備時(shí)間正好與控制器訪問時(shí)間錯(cuò)開180°。這樣聯(lián)動(dòng)處理后，一是解決了控制器對功能單元數(shù)據(jù)訪問的及時(shí)性，二是提高了帶寬的利用率。

3 結(jié)論

數(shù)字化儀控平臺(tái)通過AT96總線實(shí)現(xiàn)控制器與智能IO功能單元的數(shù)據(jù)交互，在控制器內(nèi)存不足的情況下，通過內(nèi)存分段和頁面擴(kuò)展技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制器內(nèi)存擴(kuò)展，從而實(shí)現(xiàn)控制器與眾多智能IO功能單元的數(shù)據(jù)交互。因IO單元的智能化設(shè)計(jì)，在IO功能單元微處理器中設(shè)置180°跟隨機(jī)制，實(shí)現(xiàn)功能單元準(zhǔn)備數(shù)據(jù)和控制器訪問數(shù)據(jù)的180°延時(shí)，在有效處理沖突的同時(shí)，提高了帶寬的利用率。