基于PCI總線協(xié)議的FPGA驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方案

目前，許多公司都提出了新型的計(jì)算機(jī)高速總線，如Arapahoe總線標(biāo)準(zhǔn)和HyperTransport技術(shù)，但各協(xié)議互不兼容，沒(méi)有形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。作為傳統(tǒng)的通用局部總線，PCI總線仍然占據(jù)著主流個(gè)人電腦市場(chǎng)，具有頑強(qiáng)的生命力。

現(xiàn)在市面上存在著各種PCI接口芯片，如AMCC公司的S5933，PLX的9080系列等。專用芯片可以實(shí)現(xiàn)完整的PCI主設(shè)備與從設(shè)備模式的接口功能，將復(fù)雜的PCI總線接口轉(zhuǎn)化相對(duì)簡(jiǎn)單的用戶接口，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)受接口芯片的限制，不能靈活地設(shè)計(jì)目標(biāo)系統(tǒng)，且成本較高。本文使用符合PCI電氣特性的FPGA芯片進(jìn)行簡(jiǎn)化的PCI接口邏輯設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了33MHz、32位數(shù)據(jù)寬度的PCI從設(shè)備模塊的接口功能，節(jié)約了系統(tǒng)的邏輯資源，且可以將其它用戶邏輯集成在同一塊芯片，降低了成本，增加了設(shè)計(jì)的靈活性。另外，還給出了Windows9x系統(tǒng)下的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，可以與應(yīng)用程序接口，形成一個(gè)完整的系統(tǒng)。目前，本系統(tǒng)已經(jīng)被印染企業(yè)應(yīng)用在數(shù)據(jù)采集和處理等方面。

1 系統(tǒng)構(gòu)成與功能描述

系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

由圖1可見(jiàn)，系統(tǒng)的硬件平臺(tái)為一塊PCI卡。此卡的結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)潔，主要由FPGA芯片、RAM芯片和輸出接口三部分組成。其中，F(xiàn)PGA芯片集成了PCI接口模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。PCI接口模塊實(shí)現(xiàn)了33MHz工作時(shí)鐘、32位總線寬度的接口功能，支持I/O空間、內(nèi)存空間及配置空間的讀寫(xiě)和PCI中斷功能。由于簡(jiǎn)化的PCI接口占用的邏輯資源較少，可在同一塊芯片中集成其他用戶邏輯。作為一個(gè)應(yīng)用實(shí)例，本文加入了一個(gè)數(shù)據(jù)處理模塊，對(duì)PCI接口傳送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過(guò)片外的輸出接口輸出到下位機(jī)。RAM芯片為數(shù)據(jù)處理提供緩存功能。

2 從設(shè)備模式下的簡(jiǎn)化PCI協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)PCI接口的基本功能，必須完成以下幾個(gè)模塊：

（1）PCI配置空間設(shè)置。PCI協(xié)議支持三種地址空間：I/O空間、內(nèi)存空間和配置空間。配置空間提供了支持PCI設(shè)備自動(dòng)配置的機(jī)制，是必需的。

（2）PCI從設(shè)備狀態(tài)機(jī)。PCI總線狀態(tài)機(jī)是具有PCI總線的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)狀態(tài)流，是由一個(gè)已知狀態(tài)到另一個(gè)狀態(tài)的條件、時(shí)序的描述。這是PCI接口設(shè)計(jì)中最基本也是最重要的部分。

（3）地址譯碼和命令譯碼。地址譯碼用來(lái)確定PCI設(shè)備是否應(yīng)當(dāng)響應(yīng)當(dāng)前總線的操作；命令譯碼則用來(lái)指示PCI設(shè)備根據(jù)不同的總線命令作出相應(yīng)的動(dòng)作。

本文采用ALTERA公司的Max+PlusII軟件平臺(tái)，硬件描述語(yǔ)言使用ALTERA HDL語(yǔ)言，也可以方便地轉(zhuǎn)換民VHDL或VerilogHDL語(yǔ)言。在此之前，先引入PCI總線信號(hào)的定義。

2.1 總線信號(hào)定義

根據(jù)PCI總線協(xié)議2.2版，從設(shè)備模式下PCI接口至少包含47根引腳。圖2給出了按功能劃分的引腳分布，左邊是必需引腳。右邊是可選引腳。為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，本文采用了如下引腳，其他引腳均不使能或置為高阻態(tài)。

（1）由系統(tǒng)提供的33MHz的同步時(shí)鐘信號(hào)CLK和復(fù)位信號(hào)RST#（#表示低電平有效）；

（2）關(guān)于數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵男盘?hào)：32位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用線AD[31:0]、總線命令/字節(jié)使能復(fù)用線C/BE[3:0]#和偶校驗(yàn)信號(hào)PAR；

（3）接口控制信號(hào)FRAME#、TRDY#、IRDY#、STOP#、DEVSEL#和IDSEL。其中，F(xiàn)RAME#為數(shù)據(jù)傳輸起止信號(hào)，TRDY#為主設(shè)備準(zhǔn)備好信號(hào)，IRDY#為從設(shè)備準(zhǔn)備好信號(hào)，STOP#為從設(shè)備停止請(qǐng)求信號(hào)，DEVSEL#為設(shè)備選擇信號(hào)，IDSEL為配置空間讀寫(xiě)時(shí)的片選信號(hào)；

（4）中斷引腳INTA#。

為簡(jiǎn)化PCI協(xié)議，本文只實(shí)現(xiàn)了最重要的總線命令，表1給出了所支持的總線命令對(duì)應(yīng)的C/BE[3:0]#編碼值。

表1 支持的總線命令

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2.2 配置空間設(shè)置

配置空間大小為256字節(jié)，前64字節(jié)必需，記錄了PCI設(shè)備的基本住處，比較重要的有：

（1）VendorID、DeviceID和Class Code域：分別表示設(shè)備的生產(chǎn)廠商、設(shè)備編號(hào)和類型；

（2）Command和Status域：分別給出了對(duì)PCI設(shè)備的控制命令和當(dāng)前狀態(tài)；

（3）Base Adress Register域：指示此PCI設(shè)備按I/O方式還是內(nèi)存方式進(jìn)行讀寫(xiě)以及需要的地址空間大??；

（4）Interrupt Line和Interrupt Pin域：分別指明了設(shè)備使用的斷號(hào)和中斷引腳。

在對(duì)配置空間的訪問(wèn)中，用AD[7:2]尋址一個(gè)雙字DWORD。在本設(shè)計(jì)中，配置空間設(shè)置如表2所示。

2.3 簡(jiǎn)化的從設(shè)備狀態(tài)機(jī)

在PCI協(xié)議中，標(biāo)準(zhǔn)的從設(shè)備狀態(tài)機(jī)包含五種狀態(tài)，而且各狀態(tài)的跳轉(zhuǎn)條件比較復(fù)雜。本文在不違反PCI協(xié)議的前提下，簡(jiǎn)化了從設(shè)備的狀態(tài)機(jī)，如圖3所示。

圖3中，狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件信號(hào)a、b、c定義如下：a代表配置空間訪問(wèn)條件,b代表I/O空間或內(nèi)存空間訪問(wèn)條件，c代表總線傳輸開(kāi)始條件。這三個(gè)條件的實(shí)現(xiàn)由后面的命令譯碼模塊給出。

表2 配置空間設(shè)置（均為十六進(jìn)制）

?

IDLE是系統(tǒng)的缺省狀態(tài)，表示總線當(dāng)前空閑。通常，設(shè)備處在IDLE狀態(tài)時(shí)，要檢測(cè)來(lái)自PCI總線和后級(jí)設(shè)備的信號(hào)，便設(shè)備作出合適的響應(yīng)。設(shè)備處于S_DATA狀態(tài)時(shí)完成第一次數(shù)據(jù)傳輸，直接無(wú)條件跳到BACKOFF狀態(tài)。設(shè)備在BACKOFF狀態(tài)時(shí)進(jìn)行多個(gè)數(shù)據(jù)傳輸，直到主設(shè)備斷開(kāi)訪問(wèn)。需要注意的是：任何對(duì)I/O空間、配置空間以及內(nèi)存空間的突發(fā)傳輸?shù)牡刂烦^(guò)了設(shè)備映射地址的范圍時(shí)，從設(shè)備要在此狀態(tài)建立STOP信號(hào)，斷開(kāi)訪問(wèn)。當(dāng)幀信號(hào)無(wú)效或主設(shè)備終止傳輸時(shí)，設(shè)備回到初始的IDLE狀態(tài)。BUS_BUSY狀態(tài)時(shí)總線忙，表示總線正在被其它設(shè)備使用。有兩條轉(zhuǎn)移路徑，若總線仍然被占用，則停留在BUS_BUSY狀態(tài)，否則返回空頭狀態(tài)IDLE。

2.4 地址譯碼和命令譯碼模塊

地址譯碼模塊主要檢測(cè)PCI地址與本PCI卡的基地址是否匹配，可以通過(guò)AD[31:00]信號(hào)線上的值與設(shè)備的基地址作比較判斷。如果PCI地址落在設(shè)置的基地址范圍內(nèi)，則PCI卡響應(yīng)當(dāng)前的總線操作。

命令譯碼模塊指示PCI卡響應(yīng)不同的總線命令，通過(guò)檢測(cè)C/BE[3:0]#信號(hào)線上的值，與表1列出的總線命令作比較，完成命令譯碼。

3 Windows9x系統(tǒng)下驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)

對(duì)PCI設(shè)備而言，驅(qū)動(dòng)程序提供了獲取PCI卡的配置空間信息、勾掛PCI中斷、總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。本文介紹使用Numega公司的VtooIsD軟件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的方法。

3.1 尋找PCI卡并讀取配置空間信息

配置空間包含了系統(tǒng)初始化PCI設(shè)備所必需的信息，首先需要遍歷整個(gè)硬件樹(shù)結(jié)構(gòu)來(lái)尋找指定的PCI設(shè)備。對(duì)于每一個(gè)設(shè)備，比較其廠商號(hào)（Vendor ID）和設(shè)備編號(hào)（Device ID），如果與設(shè)計(jì)的PCI卡的信息匹配，則讀取它的配置空間信息。

3.2 I/O方式下的讀寫(xiě)操作

I/O方式下的讀寫(xiě)比較簡(jiǎn)單。在得到PCI設(shè)備基地址信息后，通過(guò)C++語(yǔ)言中的端口讀寫(xiě)函數(shù)inpd和outpd即可完成。舉例如下：

Temp=_inpd(gBaseAddresses);//Temp中得到讀出的數(shù)據(jù)

_outpd(gBaseAddresses,Data)；//向基地址寫(xiě)入數(shù)據(jù)

其中，gBaseAddresses為基地址值，Data為寫(xiě)操作時(shí)的數(shù)據(jù)。

3.3 內(nèi)存方式下的讀寫(xiě)

對(duì)于內(nèi)存方式下的讀寫(xiě)，一個(gè)重要問(wèn)題就是地址的映射。因?yàn)橛布O(shè)備讀寫(xiě)的是物理內(nèi)存，但應(yīng)用程序讀寫(xiě)的是虛擬地址，所以存在著將物理內(nèi)存地址映射到用戶程序線性地址的問(wèn)題。

映射功能通過(guò)調(diào)用VtoolsD軟件的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù)完成。根據(jù)給定的物理地址和所要求的空間大小，在系統(tǒng)內(nèi)存中分配相應(yīng)空間。首先，用PageReserve函數(shù)分配當(dāng)前保留頁(yè)的線性地址空間，再利用PageCommitPhys函數(shù)的服務(wù)對(duì)開(kāi)始的線性地址空間分配相應(yīng)的物理地址空間。程序如下：

ULONG nPages=_NPAGES_(PhysAddress,SizeInByte)；
Linear=PageReserve(PR_SYSTEM,nPages,PR_FIXED);
PageCommitPhys(PAGENUM(Linear),nPages,PAGENUM
(PhysAddress),PC_INCR|PC_WRITEABLE|PC_USER);
LinPageLock(PAGENUM(Linear),nPages,0);

其中，PhysAddress為給定的物理地址，SizeInBytes為需要的空間大小。

建立了物理RAM到系統(tǒng)內(nèi)存的映射后，就可以利用C++語(yǔ)言中的文件操作基類CFile類完成數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)。首先使用CFile類的成員函數(shù)Open打開(kāi)文件，為保證數(shù)據(jù)讀寫(xiě)的準(zhǔn)確無(wú)誤，必須使用二進(jìn)制方式打開(kāi)；接下來(lái)使用Read和Write成員函數(shù)進(jìn)行文件讀寫(xiě)；完畢后用Close成員函數(shù)關(guān)閉文件。

3.4 中斷的勾掛和處理

首先在ON_DEVICE_INIT函數(shù)中完成中斷的初始化。即通過(guò)前面讀取的PCI設(shè)備的中斷號(hào)，使用VPICD_Virtualize_IRQ函數(shù)進(jìn)行中斷勾掛，外調(diào)用VPICD_Physically_Unmask函數(shù)開(kāi)中斷。

RTCIRQHandle=VPICD_Virtualize_IRQ(&IRQdesc)；

VPICD_Physically_Unmask（RTCIRQHandle）；

然后在RTCInt_Handler函數(shù)中進(jìn)行中斷處理，可以進(jìn)行各種操作，例如向應(yīng)用程序發(fā)送自定義的消息來(lái)通知中斷的發(fā)生。

3.5 與應(yīng)用程序的通信

一般地，應(yīng)用程序通過(guò)CreateFile函數(shù)調(diào)用VxD驅(qū)動(dòng)程序，得到一個(gè)VxD的文件句柄。使用如下的語(yǔ)句可以打開(kāi)一個(gè)名為mydriver.VXD的文件，得到的句柄保存在hVxD中。

hVxD=CreateFile(.mydriver.VXD,0,0,0,CREATE-NEW,FILE-FLAG-DELETE-ON-CLOSE,0)；

通過(guò)句柄hVxD和DeviceIoControl函數(shù)就可以與驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

本文采用ALTERA公司的FLEX6000系列芯片，型號(hào)為EPF6016TC144-3，實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)化的從設(shè)備模式PCI協(xié)議，并在Windows9x系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)工作良好。資源占用情況如下：可用I/O引腳113根，占用51根，占用率45%；可用邏輯單元數(shù)1320個(gè)，占用151個(gè)，占用率11%。

簡(jiǎn)化的PCI協(xié)議的實(shí)現(xiàn)占用較少的邏輯資源，可以靈活方便地進(jìn)行功能添加和改進(jìn)，同時(shí)可以在同一塊芯片中集成其他用戶模塊，實(shí)現(xiàn)不同功能，以降低成本。目前，本系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用在數(shù)據(jù)采集處理、圖像處理等方面。