基于EPLD的PCI總線仲裁器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

隨著VLSI/ULSI技術(shù)的發(fā)展，可編程邏輯器件EPLD/FPGA越來越受到人們的青睞，由于它具有集成度高、速度快、開發(fā)周期短、費(fèi)用低、用戶可定義功能及可重復(fù)編程和擦寫等許多優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。這些器件的靈活性和通用性使得它們已成為研制和開發(fā)復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)的理想選擇。
　　在PCI總線技術(shù)規(guī)范的基礎(chǔ)上，采用EPLD實(shí)現(xiàn)了高速PCI總線背板中多主控設(shè)備的總線仲裁。
1 PCI總線的仲裁機(jī)制
　　PCI總線仲裁是基于訪問而不是基于時(shí)間片，也就是說，對(duì)于一個(gè)PCI總線主設(shè)備，必須為它在總線上進(jìn)行的每次訪問提出仲裁要求。PCI總線上采用的是并行仲裁(也叫獨(dú)立請(qǐng)求仲裁)方案，其仲裁機(jī)制如圖1所示。在這種仲裁中，每個(gè)主控器各有自己獨(dú)立的總線請(qǐng)求線_REQ 和總線允許線_GNT 與總線仲裁器相連，相互間沒有任何控制關(guān)系。仲裁器直接識(shí)別所有設(shè)備的請(qǐng)求，并根據(jù)一定的優(yōu)先級(jí)仲裁算法選中一個(gè)設(shè)備Ci ，向它直接發(fā)出總線允許信號(hào)_GNTi。PCI總線的仲裁是“隱含的”，就是說一次仲裁可以在前一次總線訪問期間完成，這樣就使得仲裁的具體實(shí)現(xiàn)不必占用PCI總線周期。當(dāng)然在總線空閑時(shí)除外。
　　在實(shí)際的PCI總線仲裁電路中，與仲裁直接有關(guān)的控制線除_REQ和_GNT外，還有_FRAME、_IRDY。此外，為了保證總線交換的同步，還應(yīng)有一根總線時(shí)鐘信號(hào)PCIclk和一根總線復(fù)位信號(hào)_PCIrst，如圖1虛線所示。

2 總線的缺省占用
　　所謂總線的缺省占用，就是指在當(dāng)前沒有設(shè)備使用總線或請(qǐng)求總線的情況下，允許仲裁器根據(jù)一定的方式選定一個(gè)設(shè)備作為總線缺省的擁有者，并向它發(fā)出_GNT信號(hào)。選擇的方式有多種，如可為某一固定設(shè)備，也可為最后一次使用總線的設(shè)備，當(dāng)然也可以指定自己(仲裁器本身)為總線缺省的擁有者。
　　當(dāng)仲裁器將某一設(shè)備確定為總線的缺省擁有者時(shí),該設(shè)備可以不通過發(fā)_REQ信號(hào)就開始一次總線操作(只要總線空閑且_GNT信號(hào)有效)。但要注意的是：如果該設(shè)備需要做多次的數(shù)據(jù)傳輸，它就應(yīng)當(dāng)發(fā)出_REQ信號(hào)，以便向仲裁器提出多次操作的請(qǐng)求；而如果該設(shè)備只要求做一次總線操作，它就不應(yīng)當(dāng)發(fā)出_REQ信號(hào)，否則仲裁器可能在它不需要使用總線的情況下又給它發(fā)出_GNT信號(hào)。
3 仲裁信號(hào)協(xié)定
　　綜上所述， PCI總線的仲裁主要是通過_REQ和_GNT兩個(gè)信號(hào)來實(shí)現(xiàn)的。前者用于某一設(shè)備要求占用總線的請(qǐng)求，后者用于允許某一設(shè)備占用總線的應(yīng)答。而對(duì)于一個(gè)PCI總線主控器，必須在它真正需要總線時(shí)才能發(fā)出_REQ信號(hào)，絕不可以用_REQ信號(hào)把自己“?？俊?在總線上。只有總線仲裁器才可以指定誰是總線缺省的擁有者。
　　當(dāng)仲裁器允許某一設(shè)備使用總線時(shí)，就向該設(shè)備發(fā)出_GNT信號(hào)；相反，當(dāng)仲裁器不再允許某一設(shè)備擁有總線控制權(quán)時(shí)，可以在任意時(shí)鐘撤消該設(shè)備的_GNT信號(hào)。所以，每個(gè)總線主控器在開始一次PCI總線操作時(shí)，一定要確知此時(shí)它們的_GNT信號(hào)是否有效。如果_GNT信號(hào)無效，這次操作就不可以進(jìn)行。
　　PCI總線的仲裁信號(hào)之間必須遵循一定的協(xié)定，具體描述如下：
　　? 若_GNT信號(hào)撤消而_FRAME有信號(hào)，當(dāng)前的總線操作是合法的，并將繼續(xù)下去；
　　? 若總線不是處于空閑狀態(tài)，有可能一個(gè)_GNT的撤消碰巧是另一個(gè)_GNT發(fā)出的同時(shí)，但如果是在空閑狀態(tài)，則要求一個(gè)_GNT撤消到下一個(gè)_GNT的發(fā)出之間必須有一個(gè)時(shí)鐘周期。否則可能會(huì)在AD線和PAR線上出現(xiàn)沖突；
　　? 當(dāng)_FRAME無信號(hào)時(shí)，_GNT可以在任意時(shí)間撤消，以便服務(wù)于另一個(gè)主設(shè)備，或者作為對(duì)相應(yīng)的_REQ撤消的響應(yīng)；
　　? _GNT信號(hào)的每次發(fā)出，只限于相應(yīng)的總線主控器可以使用總線進(jìn)行一次總線操作。若該主控器還想做多次總線訪問時(shí)，可以保持它的_REQ信號(hào)一直有效。此時(shí)，如果沒有其它請(qǐng)求，或者當(dāng)前的主控器具有最高優(yōu)先權(quán)，仲裁器就會(huì)繼續(xù)批準(zhǔn)總線給當(dāng)前主控器；
　　?一個(gè)主控器可以在任意時(shí)刻撤消其_REQ信號(hào)，但要注意，_REQ信號(hào)一旦撤消，仲裁器將認(rèn)為該設(shè)備不再請(qǐng)求使用總線，因而撤消其_GNT信號(hào)。若一個(gè)主控器只希望做一次總線傳輸，它應(yīng)當(dāng)在發(fā)出_FRAME的同一時(shí)鐘周期撤消_REQ；
　　?如果當(dāng)前的主控器在它的_GNT信號(hào)發(fā)出之后(_REQ也一直有效)，持續(xù)16個(gè)空閑周期還沒有開始總線操作，仲裁器就可以認(rèn)為當(dāng)前的主控器“已壞”。因而，仲裁器可以在任意時(shí)刻撤消_GNT信號(hào)，以便服務(wù)于一個(gè)優(yōu)先級(jí)更高的設(shè)備。
4 優(yōu)先級(jí)仲裁算法
　　為了合理地控制和管理系統(tǒng)中需要占用總線的數(shù)據(jù)源，PCI仲裁器必須實(shí)現(xiàn)一個(gè)特別的優(yōu)先級(jí)仲裁算法，以便在多個(gè)設(shè)備同時(shí)提出總線占用請(qǐng)求時(shí)，能依據(jù)該仲裁算法判決出哪個(gè)設(shè)備應(yīng)獲得對(duì)總線的控制權(quán)?？偩€仲裁可以確保任何時(shí)刻總線上最多只有一個(gè)設(shè)備發(fā)送信息，而決不會(huì)出現(xiàn)多個(gè)主控器同時(shí)占用總線的情況。
　　由于總線仲裁算法從根本上說與PCI總線技術(shù)規(guī)范無關(guān)，所以設(shè)計(jì)者可以根據(jù)實(shí)際需要自由地進(jìn)行選擇和修改。但要注意，設(shè)計(jì)時(shí)必須為所選用的I/O控制器及接插卡提供所要求的訪問延遲保證。
　　總線優(yōu)先級(jí)仲裁算法通常有兩種，一種是固定優(yōu)先級(jí)算法，一種是循環(huán)優(yōu)先級(jí)算法。但不管是哪一種仲裁算法，都必須滿足以下三個(gè)基本要求：
　　? 每一時(shí)刻只能有一個(gè)設(shè)備作為總線主控器；
　　? 先請(qǐng)求者先響應(yīng)，且在一個(gè)總線操作周期之內(nèi)不被打斷；
　　? 同一時(shí)刻有幾個(gè)設(shè)備發(fā)出請(qǐng)求時(shí)，按優(yōu)先級(jí)排序響應(yīng)。
　　所謂固定優(yōu)先級(jí)算法，就是指PCI總線中各主控器的優(yōu)先級(jí)是事先確定好的，在仲裁器仲裁過程中固定不變；而循環(huán)優(yōu)先級(jí)算法則不同，各主控器的優(yōu)先級(jí)在仲裁器的仲裁過程中不是一成不變，而是根據(jù)一定規(guī)律發(fā)生變化的。
　　表1給出了采用循環(huán)優(yōu)先級(jí)算法或固定優(yōu)先級(jí)算法時(shí)，PCI總線仲裁器中N個(gè)主控器的優(yōu)先級(jí)變化規(guī)律。

采用固定優(yōu)先級(jí)算法，可以對(duì)那些有重要數(shù)據(jù)傳輸、或有大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸以及經(jīng)常需要占用總線的主設(shè)備賦予較高的優(yōu)先權(quán)，以便有效地利用PCI總線周期。固定優(yōu)先級(jí)算法的缺點(diǎn)是，它將規(guī)定每個(gè)PCI插槽的優(yōu)先級(jí)，這也就規(guī)定了接插卡的插放次序，從而造成了使用上的不便。另外，固定優(yōu)先級(jí)算法有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)總線設(shè)備“撐死”和“餓死”的現(xiàn)象。相反，采用循環(huán)優(yōu)先級(jí)算法則可以克服這種“飽餓”不均的弊端。在循環(huán)優(yōu)先級(jí)算法中，由于其優(yōu)先級(jí)隨著每個(gè)總線周期動(dòng)態(tài)地改變，各個(gè)設(shè)備在總線上的身份平等，獲得總線占用權(quán)的機(jī)會(huì)均等。所以，在一定意義上來說，優(yōu)先級(jí)循環(huán)是最公平的算法。循環(huán)優(yōu)先級(jí)的缺點(diǎn)是當(dāng)處理某些設(shè)備的大批量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)造成效率的降低。正因如此，在實(shí)際中，常常將這兩種算法結(jié)合起來使用，以便構(gòu)成更為靈活的仲裁機(jī)構(gòu)。
5 仲裁器的EPLD編程設(shè)計(jì)
　　下面以支持5個(gè)總線主控器的PCI總線仲裁器為例，給出采用Altera公司的EPLD進(jìn)行功能實(shí)現(xiàn)的主要設(shè)計(jì)思路，其中，所用編程語言為Altera公司的AHDL語言。該仲裁器采用循環(huán)優(yōu)先級(jí)仲裁算法，且總線的缺省擁有者指定為最后一次使用總線的主設(shè)備。
5.1 PCI總線的狀態(tài)機(jī)
　　PCI總線的狀態(tài)機(jī)包括三種基本狀態(tài)：無任何總線請(qǐng)求(NO_REQ)、等待周期(WAIT_CYCLE)和幀信號(hào)_FRAME的撤消(FRAMED)。其中，_FRAME信號(hào)的撤消，意味著當(dāng)前的總線操作將進(jìn)入最后一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸周期，此時(shí)，_IRDY有效，一旦 _TRDY也有效,最后一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸周期就可完成。而判斷_FRAME是否撤消的具體方法就是判斷_FRAME是否出現(xiàn)從低到高的上跳變。圖2所示即為PCI總線的狀態(tài)機(jī)。圖中，TIME_OUT為從_GNT發(fā)出到_FRAME變?yōu)橛行试S的PCI總線周期數(shù)。

5.2 PCI總線仲裁器的狀態(tài)機(jī)
　　由于此仲裁器最大支持5個(gè)PCI總線主控器，所以，需定義5個(gè)狀態(tài)Master0、Master1、Master2、Master3、Master4用來區(qū)分當(dāng)前是哪一個(gè)主控器占用總線。至于仲裁器的仲裁狀態(tài)什么時(shí)候應(yīng)該發(fā)生變化則由總線狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)決定，具體如下：當(dāng)總線狀態(tài)機(jī)處于FRAMED狀態(tài)，表明在最后一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸周期結(jié)束后，它將釋放PCI總線，此時(shí)，仲裁器便可撤消對(duì)它的_GNT信號(hào)，以便去服務(wù)于另一個(gè)主控器；當(dāng)總線狀態(tài)機(jī)處于NO_REQ狀態(tài)，此時(shí)，需要由仲裁器來指定一個(gè)缺省的總線占用者；當(dāng)總線狀態(tài)機(jī)處于WAIT_CYCLE狀態(tài)，且允許該設(shè)備占用總線的時(shí)間限制已到(Timeout)，這時(shí)仲裁器也將撤消對(duì)它的_GNT信號(hào)，以便服務(wù)于其它的主設(shè)備。所以，若用EnChange來代表允許仲裁器仲裁狀態(tài)發(fā)生變化的條件，則采用AHDL語言的具體編程如下：
　　EnChange ＝ (EnCHstate ＝＝ FRAMED) # (EnCHstate ＝＝ NO_REQ) # (TimeOut[] ＝＝ TIME_OUT)
　　該仲裁器中，由于采用循環(huán)優(yōu)先級(jí)算法，仲裁器從每一種仲裁狀態(tài)轉(zhuǎn)換到其它仲裁狀態(tài)的方法都是一樣的，所以，下面只給出了仲裁器的仲裁狀態(tài)為主控器1時(shí)向其它仲裁狀態(tài)的轉(zhuǎn)換機(jī)理(如圖3所示)。另外，若仲裁器在剛啟動(dòng)時(shí)處于無效狀態(tài)，則強(qiáng)制狀態(tài)機(jī)在下一個(gè)時(shí)鐘轉(zhuǎn)換到Master0態(tài)。

5.3 總線允許信號(hào)_GNTi(低電平有效)的建立
　　在PCI對(duì)話中，由于_FRAME 和 _IRDY決定著總線的忙/閑狀態(tài)。兩者之中只要有一個(gè)信號(hào)成立，總線就處于忙碌狀態(tài)；當(dāng)兩個(gè)信號(hào)都無效時(shí)，總線才處于空閑狀態(tài)。所以建立_GNTi的具體編程如下：
　　!_GNTi＝(GNTstate＝＝Masteri)GLOBAL(_PCIrst)
　　!MaskGNT;%式中，MaskGNT＝ _FRAME _IRDY %
　　總之，本文介紹的PCI總線仲裁器，由于采用單片EPLD即可實(shí)現(xiàn)，所以它具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高、在線修改方便及升級(jí)容易等特點(diǎn)。目前，采用該仲裁器的PCI高速總線背板已應(yīng)用在我們研發(fā)的總線型高性能網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)系列中。經(jīng)過近兩年的實(shí)際運(yùn)行表明，仲裁器工作正常，性能穩(wěn)定可靠。