簡化PCI總線協(xié)議的實現(xiàn)以及FPGA驅(qū)動設(shè)計

目前，許多公司都提出了新型的計算機高速總線，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)著主流個人電腦市場，具有頑強的生命力。

　　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)化相對簡單的用戶接口，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芯片進行簡化的PCI接口邏輯設(shè)計，實現(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)計的靈活性。另外，還給出了Windows9x系統(tǒng)下的設(shè)備驅(qū)動程序，可以與應(yīng)用程序接口，形成一個完整的系統(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，系統(tǒng)的硬件平臺為一塊PCI卡。此卡的結(jié)構(gòu)十分簡潔，主要由FPGA芯片、RAM芯片和輸出接口三部分組成。其中，FPGA芯片集成了PCI接口模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。PCI接口模塊實現(xiàn)了33MHz工作時鐘、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和PCI中斷功能。由于簡化的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。作為一個應(yīng)用實例，本文加入了一個數(shù)據(jù)處理模塊，對PCI接口傳送來的數(shù)據(jù)進行處理，通過片外的輸出接口輸出到下位機。RAM芯片為數(shù)據(jù)處理提供緩存功能。

2 從設(shè)備模式下的簡化PCI協(xié)議的實現(xiàn)

　　為了實現(xiàn)PCI接口的基本功能，必須完成以下幾個模塊：

　?。?）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)備自動配置的機制，是必需的。

　?。?）PCI從設(shè)備狀態(tài)機。PCI總線狀態(tài)機是具有PCI總線的計算機系統(tǒng)狀態(tài)流，是由一個已知狀態(tài)到另一個狀態(tài)的條件、時序的描述。這是PCI接口設(shè)計中最基本也是最重要的部分。

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

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

　　2.1 總線信號定義

　　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。為簡化起見，本文采用了如下引腳，其他引腳均不使能或置為高阻態(tài)。

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

　　（2）關(guān)于數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵男盘枺?2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]#和偶校驗信號PAR；

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

　　（4）中斷引腳INTA#。

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

　　表1 支持的總線命令

C/BE[3:0]# 命令類型說明
0010

　　0011

　　0110

　　0111

　　1010

　　1011
I/O讀

　　I/O寫

　　存儲器讀

　　存儲器寫

　　配置空間讀

　　配置空間寫

　　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)備編號和類型；

　?。?）Command和Status域：分別給出了對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)存方式進行讀寫以及需要的地址空間大??；

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

　　在對配置空間的訪問中，用AD[7:2]尋址一個雙字DWORD。在本設(shè)計中，配置空間設(shè)置如表2所示。

　　2.3 簡化的從設(shè)備狀態(tài)機

　　在PCI協(xié)議中，標(biāo)準(zhǔn)的從設(shè)備狀態(tài)機包含五種狀態(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，簡化了從設(shè)備的狀態(tài)機，如圖3所示。

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

　　表2 配置空間設(shè)置（均為十六進制）

字　段 值或含義 字段 值或含義
VendorID 1172 Class Code 040000，即視頻卡
DeviceID 8901 Base Adress Register 映射到I/O空間
Command 0082 Interrupt Line 中斷號A
Status 0400 Interrupt Pin 使用INTA中斷引腳

　　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，要檢測來自PCI總線和后級設(shè)備的信號，便設(shè)備作出合適的響應(yīng)。設(shè)備處于S_DATA狀態(tài)時完成第一次數(shù)據(jù)傳輸，直接無條件跳到BACKOFF狀態(tài)。設(shè)備在BACKOFF狀態(tài)時進行多個數(shù)據(jù)傳輸，直到主設(shè)備斷開訪問。需要注意的是：任何對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^了設(shè)備映射地址的范圍時，從設(shè)備要在此狀態(tài)建立STOP信號，斷開訪問。當(dāng)幀信號無效或主設(shè)備終止傳輸時，設(shè)備回到初始的IDLE狀態(tài)。BUS_BUSY狀態(tài)時總線忙，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