采用CPLD技術(shù)實(shí)現(xiàn)PCI從設(shè)備接口的設(shè)計(jì)

近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，PCI局部總線已逐步取代ISA總線成為家用電腦的標(biāo)準(zhǔn)總線。PCI總線具有總線主控能力，在33 MHz時(shí)鐘的工作條件下，突發(fā)傳輸速率峰值可達(dá)132 MB·s-1;其次它擁有獨(dú)立的配置空間，可實(shí)現(xiàn)即插即用。這些優(yōu)點(diǎn)使得PCI總線在數(shù)據(jù)采集、嵌入式系統(tǒng)和測(cè)控等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

實(shí)現(xiàn)PCI總線協(xié)議目前主要有專用接口芯片和CPLD實(shí)現(xiàn)兩種方式。專用接口芯片使用簡(jiǎn)單方便、工作穩(wěn)定可靠，但往往具體應(yīng)用中只用到部分功能，并且需要可編程邏輯配合使用，這樣不僅浪費(fèi)專用芯片的資源，而且也增加了電路板面積。采用Complex Programmable Logic Device（CPLD）實(shí)現(xiàn)突出的優(yōu)點(diǎn)就在于其靈活的可編程性，這使得硬件電路的升級(jí)只需改進(jìn)軟件就可實(shí)現(xiàn)，大大提高了硬件平臺(tái)的通用性；此外CPLD內(nèi)部有豐富的邏輯資源，可將用戶控制邏輯和PCI接口邏輯在同一塊芯片中實(shí)現(xiàn)，這樣不僅充分利用了邏輯資源，還能使系統(tǒng)設(shè)計(jì)顯得更加緊湊。

文中主要介紹了采用CPLD實(shí)現(xiàn)32 bit 33 MHzPCI從設(shè)備接口的設(shè)計(jì)方法，該從設(shè)備接口模塊遵從PCI規(guī)范2.2版，實(shí)現(xiàn)了資源的自動(dòng)配置，支持突發(fā)傳輸，并為用戶提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的接口。設(shè)計(jì)完成后配置到一塊PCI開(kāi)發(fā)板上的CPLD中，系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方法的工程可行性。

1、 PCI總線協(xié)議簡(jiǎn)介

一個(gè)PCI系統(tǒng)中，如果某設(shè)備取得了總線控制權(quán)，就稱其為主設(shè)備；而被主設(shè)備選中以進(jìn)行通信的設(shè)備稱為從設(shè)備或目標(biāo)設(shè)備。PCI接口信號(hào)線共有100根，分為系統(tǒng)信號(hào)、仲裁信號(hào)、接口控制信號(hào)、地址/數(shù)據(jù)線、錯(cuò)誤報(bào)告信號(hào)、中斷信號(hào)等類型，其中作為從設(shè)備至少需要47條信號(hào)線。表1中列出了從設(shè)備接口設(shè)計(jì)必需的接口信號(hào)及說(shuō)明。

一個(gè)完整的PCI總線交易過(guò)程如下：要發(fā)起數(shù)據(jù)交易的設(shè)備先置REQ#，在得到仲裁器的許可（GNT#）后，通過(guò)拉低FRAME#啟動(dòng)一個(gè)傳輸交易（TRA NSACTION），并同時(shí)在AD［31:0］總線上放置地址，在CBE［3:0］總線上放置命令。PCI總線上所有的設(shè)備都對(duì)此地址譯碼，被選中的從設(shè)備要置DEVSEL#有效以聲明自己被選中，同時(shí)對(duì)命令譯碼確定訪問(wèn)類型。在接下來(lái)的數(shù)據(jù)期中，IRDY#和TRDY#分別表示主、從設(shè)備準(zhǔn)備好。兩者同時(shí)有效，則在時(shí)鐘上升沿傳輸數(shù)據(jù)；主從雙方可以分別通過(guò)使IRDY#或TRDY#無(wú)效，在數(shù)據(jù)期中插入等待周期。數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束前，主設(shè)備通過(guò)撤銷FRAME#并建立IRDY#標(biāo)明只剩最后一組數(shù)據(jù)要傳輸，并在數(shù)據(jù)傳輸完后放開(kāi)IRDY#以釋放總線控制權(quán)。從設(shè)備也可以通過(guò)有效STOP#信號(hào)來(lái)請(qǐng)求終止傳輸，從設(shè)備斷開(kāi)連接有RETRY、DISCONNECT和ABORT3種情況，RETRY是由于數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠鹗甲止?jié)超過(guò)16個(gè)PCI時(shí)鐘周期引起的；DISCONNECT是由于在數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆瞧鹗甲止?jié)，從設(shè)備在8個(gè)時(shí)鐘周期里不能對(duì)主設(shè)備做出反應(yīng)引起的；ABORT是由于目標(biāo)設(shè)備發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)誤或者不能完成數(shù)據(jù)請(qǐng)求，而使STOP#和DEVSEL#都無(wú)效來(lái)終止當(dāng)前進(jìn)程。傳輸終止后總線進(jìn)入空閑狀態(tài)，等待下個(gè)PCI總線交易開(kāi)始。

表1 PCI從設(shè)備接口信號(hào)線

表1中，#表示信號(hào)低電平有效，否則為高電平有效。IN表示標(biāo)準(zhǔn)的輸入信號(hào)，OUT表示標(biāo)準(zhǔn)的輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，T/S表示雙向的三態(tài)輸入/輸出信號(hào)，S/T/S表示持續(xù)且低電平有效的三態(tài)信號(hào)，O/D表示漏極開(kāi)路信號(hào)。

2、 PCI從設(shè)備接口的CPLD實(shí)現(xiàn)

設(shè)計(jì)的32 bit 33 MHz PCI從設(shè)備接口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，由結(jié)構(gòu)圖可以看出它主要由狀態(tài)機(jī)、配置空間、譯碼模塊、數(shù)據(jù)通道、奇偶校驗(yàn)和重試模塊組成。PCI從設(shè)備接口實(shí)現(xiàn)的功能是將一個(gè)不符合PCI總線協(xié)議的設(shè)備橋接到PCI總線上，為計(jì)算機(jī)PCI總線和用戶應(yīng)用之間傳輸數(shù)據(jù)提供一個(gè)數(shù)據(jù)通道。該從設(shè)備接口為用戶提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的總線接口，特別適合PCI總線與32位SRAM或FIFO等高速存儲(chǔ)設(shè)備的橋接。

圖1 PCI從設(shè)備接口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

表2 用戶總線信號(hào)定義

2.1 狀態(tài)機(jī)

狀態(tài)機(jī)是整個(gè)PCI從設(shè)備接口設(shè)計(jì)的控制核心，它控制著PCI總線交易時(shí)序和控制信號(hào)的產(chǎn)生，文中結(jié)合PCI規(guī)范的要求，使用Verilog HDL語(yǔ)言、采用One-hot編碼方式設(shè)計(jì)了全同步狀態(tài)機(jī)，狀態(tài)機(jī)由表3所列的8個(gè)狀態(tài)組成，狀態(tài)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖2所示。

圖2 PCI從設(shè)備狀態(tài)機(jī)

表3 狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)名、狀態(tài)變量和狀態(tài)說(shuō)明

PCI目標(biāo)狀態(tài)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)移有以下幾種情形：

（1）Idle→B_busy→Idle，地址譯碼設(shè)備未被選中，則處于B_busy總線忙狀態(tài)等待總線交易結(jié)束，直到FRAME#失效當(dāng)前總線交易結(jié)束才返回Idle.

（2）Idle→B_busy→Wait→Backoff→Turn_ar→Idle，設(shè)備未能在16個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)準(zhǔn)備好第一個(gè)傳輸數(shù)據(jù)，超時(shí)重試（RETRY）斷開(kāi)連接，總線停留在Backoff等待總線撤消FRAME#，然后總線釋放返回空閑態(tài)。

（3）Idle→B_busy→Wait→（R_wait）→L_data→（Backoff）→Turn_ar→Idle，從設(shè)備同時(shí)有效Ready和term信號(hào)，表明從設(shè)備不支持突發(fā)傳輸或者沒(méi)有更多的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間進(jìn)行突發(fā)傳輸，只能進(jìn)行最后一個(gè)數(shù)據(jù)交易。如果是讀交易，則插入讀等待狀態(tài)R_wait.

若訪問(wèn)為突發(fā)訪問(wèn)，當(dāng)惟一的數(shù)據(jù)期完成以后，總線停留在Backoff狀態(tài)等待主設(shè)備無(wú)效FRAME#，然后交易結(jié)束。

（4）Idle→B_busy→Wait→（R_wait）→Data→（L_data）→（Backoff）→Turn_ar→Idle，突發(fā)數(shù)據(jù)交易，讀交易則插入讀等待狀態(tài)R_wait.若從設(shè)備提出終止，則插入L_data和Backoff狀態(tài)與主設(shè)備斷開(kāi)連接；若是主設(shè)備提出終止則正常的結(jié)束總線交易。

在設(shè)計(jì)中，配置訪問(wèn)不支持突發(fā)傳輸，總線時(shí)序和情形（3）一致；而內(nèi)存訪問(wèn)支持突發(fā)傳輸，情形（3）和（4）的時(shí)序均會(huì)出現(xiàn)。用戶應(yīng)用可以通過(guò)Ready和Term信號(hào)不同的輸入組合來(lái)控制狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移，如表4所示。但是在本設(shè)計(jì)中的順序要么是先等待，然后正常數(shù)據(jù)交易、正常結(jié)束或者提出斷開(kāi)連接；要么是先等待，然后重試直接斷開(kāi)連接，只有這兩種順序，用戶應(yīng)用不能在正常數(shù)據(jù)交易期中再插入等待狀態(tài)，這是不允許的。

表4 Ready和Term輸入組合說(shuō)明

2.2 配置空間

配置空間是容量為256 Byte并具有特定記錄結(jié)構(gòu)或模型的地址空間，包括頭標(biāo)區(qū)和設(shè)備有關(guān)區(qū)，前64 Byte是頭標(biāo)區(qū)，用來(lái)唯一的識(shí)別設(shè)備，并使設(shè)備能以一般的方法控制，是PCI設(shè)備必須實(shí)現(xiàn)的。

本模塊實(shí)現(xiàn)了頭標(biāo)區(qū)所有的字段，可讀可寫字段中可寫的位由觸發(fā)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，其它位和只讀字段全部硬件連線接地或者接高。通過(guò)配置空間寄存器，配置軟件可以確定設(shè)備的存在、功能以及資源請(qǐng)求。配置空間主要字段的設(shè)置及含義說(shuō)明如表5所示。

表5 PCI配置空間字段值及說(shuō)明

2.3 譯碼

譯碼模塊包括命令譯碼、地址譯碼。在總線交易的地址期，譯碼模塊通過(guò)將AD信號(hào)線地址期的值與配置空間基址寄存器值相比較，確定訪問(wèn)是否落在本設(shè)備的地址空間范圍內(nèi)；或確定是否被選作配置訪問(wèn)的目標(biāo)設(shè)備。同時(shí)對(duì)地址期C/BE信號(hào)線的值進(jìn)行命令譯碼，確定總線訪問(wèn)的類型，本模塊支持配置讀、寫和內(nèi)存讀、寫4種PCI總線訪問(wèn)方式。若譯碼后設(shè)備被選中，則發(fā)送HIT信號(hào)通知狀態(tài)機(jī)做進(jìn)一步處理。

表6 支持的PCI總線命令

2.4 數(shù)據(jù)通道

在總線交易的地址期，數(shù)據(jù)通道鎖存AD總線上的地址信號(hào)，并在IRDY#和TRDY#同時(shí)有效的時(shí)鐘上升沿，將地址自動(dòng)增加一個(gè)雙字地址并提供給用戶接口。

在數(shù)據(jù)期，寫交易時(shí)將AD總線上的數(shù)據(jù)寫入配置空間或者用戶設(shè)備，在讀交易時(shí)數(shù)據(jù)通道負(fù)責(zé)將要讀出的配置數(shù)據(jù)或用戶設(shè)備數(shù)據(jù)鎖存送到AD總線上，并產(chǎn)生偶校驗(yàn)值送給奇偶校驗(yàn)?zāi)K。數(shù)據(jù)通道為PCI訪問(wèn)配置空間和用戶設(shè)備提供了一個(gè)地址和數(shù)據(jù)接口。

2.5 奇偶校驗(yàn)

奇偶校驗(yàn)主要用來(lái)確定主設(shè)備是否成功的尋址到它希望的目標(biāo)設(shè)備，以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_與否，在總線交易中，任何設(shè)備驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)總線輸出數(shù)據(jù)，就必須在相應(yīng)的地址或者數(shù)據(jù)的下一個(gè)時(shí)鐘周期驅(qū)動(dòng)PAR線。設(shè)計(jì)中省去了奇偶校驗(yàn)值的檢驗(yàn)電路，只實(shí)現(xiàn)了必須的偶校驗(yàn)值產(chǎn)生電路，計(jì)算出要輸出數(shù)據(jù)和CBE的偶校驗(yàn)值后，在數(shù)據(jù)期的下一個(gè)總線時(shí)鐘周期送給主設(shè)備檢驗(yàn)。

2.6 重試模塊

從設(shè)備接口如果承諾了一個(gè)數(shù)據(jù)交易，則必須在16個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)準(zhǔn)備好發(fā)送和接受數(shù)據(jù)，否則超時(shí)重試。如果用戶設(shè)備被選作交易的從設(shè)備，但沒(méi)有準(zhǔn)備好，無(wú)法開(kāi)始起始字節(jié)的數(shù)據(jù)交易，則狀態(tài)機(jī)一直處于等待狀態(tài)，如果在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)用戶設(shè)備仍沒(méi)有有效Ready信號(hào)，該模塊通知狀態(tài)機(jī)超時(shí)重試，然后斷開(kāi)連接。

2.7 其他邏輯

該部分主要包括一個(gè)總線選擇器和一個(gè)三態(tài)總線驅(qū)動(dòng)器?？偩€選擇器根據(jù)總線訪問(wèn)的類型，選通配置空間讀數(shù)據(jù)或用戶設(shè)備數(shù)據(jù)送至數(shù)據(jù)通道；三態(tài)總線驅(qū)動(dòng)器對(duì)輸出到用戶設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行三態(tài)驅(qū)動(dòng)。

3 、時(shí)序仿真

文中采用Verilog HDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了上述模塊，在Altera公司MAX+plusIl10.0軟件環(huán)境下，選用FLEX10K20RC208-3器件進(jìn)行綜合編譯，占用341個(gè)邏輯單元，最高工作頻率36 MHz，滿足PCI總線的時(shí)序要求。圖3是內(nèi)存突發(fā)讀訪問(wèn)的時(shí)序仿真波形，突發(fā)傳輸4個(gè)數(shù)據(jù)，在每個(gè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)南聜€(gè)時(shí)鐘周期輸出奇偶校驗(yàn)值，最后用戶設(shè)備提出終止傳輸請(qǐng)求，最后一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸完成后交易結(jié)束。圖4是內(nèi)存突發(fā)寫訪問(wèn)的時(shí)序仿真波形，突發(fā)傳輸4個(gè)數(shù)據(jù)后，主設(shè)備插入等待周期，同時(shí)用戶設(shè)備也有效Ready和Term請(qǐng)求終止傳輸，在第5個(gè)數(shù)據(jù)也是最后一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸完成后，總線交易結(jié)束。這兩個(gè)時(shí)序圖屬于傳輸最后一個(gè)數(shù)據(jù)并斷開(kāi)連接情形的兩種不同情況。仿真波形的分析表明，從設(shè)備接口模塊符合PCI規(guī)范的要求。

圖3 內(nèi)存突發(fā)讀訪問(wèn)的時(shí)序仿真波形

圖4 內(nèi)存突發(fā)寫訪問(wèn)的時(shí)序仿真波形

4 、結(jié)束語(yǔ)

將一個(gè)FIFO模塊連接到PCI從設(shè)備接口的用戶總線組成測(cè)試平臺(tái)，由FIFO的狀態(tài)和控制信號(hào)提供同步的Ready和Term信號(hào)。這個(gè)測(cè)試平臺(tái)在MAX+plusII下編譯，并下載到PCI開(kāi)發(fā)板上一片EPF10K20RC208-3芯片中，安裝驅(qū)動(dòng)程序后，PCI開(kāi)發(fā)板正確識(shí)別、工作穩(wěn)定、讀、寫數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無(wú)誤；多組數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試，測(cè)得數(shù)據(jù)突發(fā)傳輸率約可達(dá)到20 MB·s-1.

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