一种基于虚拟仪器的军用计算机总线仿真技术*

万 岳

（中国船舶重工集团公司第七二四研究所 南京 211100）

1 引言

在自动化测试诊断系统中，需要对ISA、EISA、I2C、存储器等基于数字总线的设备进行测试，通常采用ISA等总线主控制器+接口适配器的方式，通过总线主控制器与被测对象（UUT）进行通讯，输出激励、采集反馈信号，完成自动化测试诊断工作。传统的方式能够实现总线操作，但是属于专用测试设备，直接影响设备的通用性，同时，设备结构无法精简化，导致部署空间、购置成本增加。本文采用通用型数字IO模块，提出一种基于通用IO的复杂数字总线仿真方法，以复杂的计算机ISA总线为验证目标，采用图形化操控方式，实现IO空间与存储器空间读写操作，完成板载寄存器读写、内存读写等操作。结果表明，基于通用IO的复杂数字总线仿真方法可以模拟仿真ISA、EISA、AT BUS、SCSI BUS、MULTIBUS、I2C等数字总线操作，对总线测试诊断、局部总线通信等设计开发具有参考价值。

2 传统测试诊断系统架构

自动化测试诊断系统一般采用VXI、PXI、LXI等测试总线，VXI、PXI机箱集成主控制器、示波器、万用表、ADDA模块、串口通讯模块等虚拟仪器，配齐操控组件与其它外围设备，构成自动化测试诊断系统［1］。

对于ISA、EISA、MULTIBUS、I2C、存储器等数字总线被测对象，一般采用总线主控制器+接口适配器方式，实现与被测模块的数字通讯，组成架构如图1所示。

图1 传统总线测试系统架构

以ISA总线测试为例，设计专用接口适配器，上面配置ISA总线计算机主板，主板通过适配器与被测ISA总线模块（视频板、异步串口板等）通讯。测试程序运行在测试PXI主控制器上，测试指令通过网络或串口发送给ISA主板，ISA主板转换为总线读写操作，进而实现对被测模块的功能测试。

采用通用IO模块的测试系统框架如图2所示。

图2 基于通用IO模块的测试系统框架

在PXI系统中，不再配置总线计算机主板，配置通用数字IO模块，采用软件控制数字通道，模拟总线信号交互过程，实现总线操作。由于被测UUT接口在电气、物理结构上多样，专用接口适配器实现接口适配功能。对于数字接口简单的模块，如I2C模块，可以直接采用适配电缆。由于采用数字IO模块，通过软件适应各种总线操作需求，进一步提高测试系统的通用性与经济性。

3 通用数字IO仿真技术

3.1 数字总线仿真对通用数字IO的技术要求

通用IO模块需要模拟仿真ISA、EISA、MULTI⁃BUS、I2C等数字总线操作，实现完成的完整的数字激励—响应测试，因此，通用IO模块主要技术要求如下。

1）由于总线操作涉及读写，数字IO通道具备必须输出与输入双向控制功能；

2）考虑到计算机总线的电气特性，数字IO通道信号逻辑电平标准为TTL与CMOS；

3）除高低电平基本逻辑状态，需要提供高阻状态，确保不会多设备同时驱动导致的总线冲突；三态是I2C通信、IC测试和通用数字激励/响应测试等双向应用必要特性；

4）由于总线测试，涉及大规模的数据交互，大量激励数据与采集数据需要存放在数字IO模块上，因此通用数字IO模块需要大容量的板载内存；

5）具备内时钟与外时钟同步能力。内时钟输出，是同步外部被测模块总线操作；外时钟输入，是同步自身总线操作；

6）考虑到计算机总线特性，建议数字IO通道可以按照8路为一组成组控制，降低控制难度；

7）由于测试诊断系统工作性质，被测对象与PXI板卡之间往往有电缆连接，单端信号电缆传输，会带来信号完整性问题。因此，高速的总线信号如CPCI［2］（33MHz/66 MHz），推荐采用计算机主板+接口适配器方式；采用通用数字IO模拟总线方式，建议总线运行速率控制在20MHz以下。

3.2 PXI数字IO模块

本项目采用的PXI数字IO模块，主要技术指标如下。

1）单模块48通道；

2）内置同步机制，支持多模块数据通道并行扩展；

3）标准PXI接口，32位PXI总线，即插即用；

4）每通道64Kbit存储深度；

5）I/O通道电平标准：TTL兼容；

6）两种操作模式：动态/静态；

7）最大猝发速率：40MHz。

单块原理框图如图3。

图3 数字IO模块框图

PXI接口芯片把PXI总线操作转换为局部总线。FPGA作为模块控制器，负责存储控制、输出控制、单独IO控制，同时负责整个模块的管理与时序控制。存储器阵列负责存储多通道大容量数字激励文件与采集文件的存储。输出输入控制部分负责输出逻辑三态控制。

3.3 模块的工作流程

IO模块在启动后，进行初始化操作，设置相关模块基本参数。然后处于等待状态，接收总线命令。

由于涉及多通道大数据量数字量的读取控制，激励文件与采集文件都是存放于存储器中。待读写完成后，通过中断方式，通知主控制器操作存储器数据，进行后续数据处理。

3.4 IO通道数据文件

激励文件（写操作）与响应数据（读操作）文件都是数字IO逻辑状态的数据文件，在文件中，按照输出时拍（操作时钟的一个周期）记录所有通道的逻辑状态。

以总线写操作为例，需要占用十四个时拍（T1～T14），激励波形如图5。

图5 写操作示意图

其中，数字IO通道与信号的对应关系，在模块工作参数设置时确定。在激励文件中，地址线在A［31-0］在T2-T13有效，D［15-0］在T4-T12有效，写信号在T11-T12有效。

从中可以看出，对于多通道大数据量数字总线模拟操作，激励文件的生成成为关键，采用人工方式效率低，无法满足研发进度需求，必须采用自动化方式。

4 ISA总线仿真-视频图形板测试

4.1 ISA总线概述

ISA是16bit的计算机系统总线，最大传输速率为16MB/s，允许多个CPU共享系统资源。虽然运行速率低，但是由于兼容性好，在PC104等产品中广泛使用。

ISA总线包括地址总线SA19-SA0、数据总线AD15-AD0、中断信号等［3］。与总线仿真操作重要的控制信号为

1）BALE：地址锁存信号；

2）IORC#：IO空间读信号；

3）IOWC#：IO空间写信号；

4）MRDC#：存储器空间读信号；

5）MWTC#：存储器空间写信号。

System Clock是一个自行运转的时钟，频率在7MHz～10MHz之间。

4.2 视频图形板仿真测试

1）视频图形板

视频图形板由主机接口、图形系统处理器、存储器、调色板五部分组成。

其中，主机接口用于完成图形系统处理器与主机之间的通信控制；图形系统处理器用于完成图形加工与显示控制；存储器、调色板（RAMDAC）完成图形、数据、程序的存储与视频信号的生成。

2）测试项目

本项目共配置4块PXI模块，具备192路数字IO并行仿真测试能力，能够满足ISA总线仿真需求。

主要测试项目：

（1）主机通讯测试；

（2）VRAM测试：地址总线测试、数据总线测试、存储单元测试；

（3）DRAM测试：地址总线测试、数据总线测试、存储单元测试；

（4）FLASH测试：存储单元测试；

（5）调色板测试：寄存器测试、内部调色板空间测试。

在测试中，涉及大量存储器操作，如地址总线测试、数据总线测试、存储单元测试等，为此编制了激励文件专用生成器，自动生成大容量数据文件。

4.3 测试结果

测试程序启动后，程序自动运行，并把测试结果在进度状态对话框中反馈。测试中如有故障，其故障结果在实测值中显示，方便使用人员记录故障原因。

5 结语

在传统总线测试系统架构分析的基础上，基于通用型数字IO模块，本文提出一种基于通用IO的复杂数字总线仿真方法，设计数字IO模块工作流程、底层驱动方式。以复杂的计算机ISA总线为验证目标，针对视频图形板，采用自动化测试向量生成器，进行IO空间与存储器空间读写操作，实现板载寄存器读写、内存读写等操作。验证结果表明，基于通用IO的复杂数字总线仿真方法可以模拟仿真ISA、EISA、I2C等数字总线操作，对总线测试诊断、局部总线通信等设计具有参考价值。