基于FPGA的PCI接口控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引言

pci總線是高速同步總線，采用高度綜合優(yōu)化的總線結(jié)構(gòu)，目前廣泛應(yīng)用于各種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，總線以32位（或64位）數(shù)據(jù)總線、33mhz（或66mhz）的時(shí)鐘頻率操作，具有很高的數(shù)據(jù)傳輸速率。

目前開發(fā)pci接口大體有兩種方案，一種是采用專用的pci接口芯片，實(shí)現(xiàn)完整的pci主控模塊和目標(biāo)模塊接口功能，將復(fù)雜的pci總線接口轉(zhuǎn)換為相對(duì)簡(jiǎn)單的用戶接口。采用這種方案，用戶只要設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換后的總線接口即可，其優(yōu)點(diǎn)是縮短了開發(fā)周期，缺點(diǎn)是用戶可能只用到pci接口的部分功能，因此而造成邏輯資源浪費(fèi)，缺乏靈活性。一種是使用可編程器件，采用fpga進(jìn)行pci接口設(shè)計(jì)，這樣可以依據(jù)插卡功能進(jìn)行最優(yōu)化。這種方案設(shè)計(jì)靈活，不必實(shí)現(xiàn)所有pci功能，節(jié)約系統(tǒng)的邏輯資源。

本文所述設(shè)計(jì)方案是采用xilinx公司的virtex2系列xc2v6000芯片來實(shí)現(xiàn)pci主/從設(shè)備接口控制器。通過pci總線使得計(jì)算機(jī)上的視頻碼流傳送到解碼器中。對(duì)fpga的設(shè)計(jì)全部采用verilog hdl語言作為設(shè)計(jì)輸入，并且為解碼部分功能的實(shí)現(xiàn)預(yù)留了足夠的空間。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了對(duì)視頻流進(jìn)行解碼，需要快速而大量的數(shù)據(jù)傳輸。本設(shè)計(jì)簡(jiǎn)述了一種通過pci總線通信的解決方案。通過host主機(jī)對(duì)目標(biāo)設(shè)備的控制，實(shí)驗(yàn)板即可以做目標(biāo)設(shè)備，也可以做主設(shè)備。圖1是本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖。

在默認(rèn)情況下，實(shí)驗(yàn)板目標(biāo)設(shè)備處于工作狀態(tài)為主設(shè)備為空閑狀態(tài)，主控host通過i/o方式進(jìn)行寄存器的讀寫控制操作。當(dāng)需要傳輸大量數(shù)據(jù)時(shí)，host通過寫i/o方式通過實(shí)驗(yàn)板申請(qǐng)pci總線的使用權(quán)，pci總線申請(qǐng)成功后，實(shí)驗(yàn)板主設(shè)備開始工作，通過dma方式與主控host進(jìn)行通信。

pci總線配置空間的實(shí)現(xiàn)

當(dāng)實(shí)驗(yàn)板的目標(biāo)設(shè)備工作時(shí)，需要對(duì)其配置空間進(jìn)行配置。pci總線定義了3種物理地址空間：存儲(chǔ)器地址空間、i/o地址空間和配置地址空間。前兩者是普通的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)地址空間，而配置空間是pci所特有的。根據(jù)pci總線規(guī)范[1]，所有的pci設(shè)備都必須提供配置空間。pci總線仲裁器首先訪問一個(gè)目標(biāo)設(shè)備的配置空間，以確定總線上存在的設(shè)備，主機(jī)host才能繼續(xù)對(duì)這個(gè)目標(biāo)設(shè)備進(jìn)行其他類型的訪問，如內(nèi)存訪問、i/o訪問。配置空間是長(zhǎng)度為256字節(jié)并且有特定記錄結(jié)構(gòu)或模型的地址空間，可以在系統(tǒng)自舉時(shí)訪問，也可在其他時(shí)間訪問。配置空間訪問時(shí)，對(duì)配置空間讀令名為“1010”；對(duì)配置空間寫命令為“1011”。依據(jù)pci規(guī)范[1]，可設(shè)定配置空間中的各寄存器值如下：

供應(yīng)商id：9918h；設(shè)備id：2003h；修訂id：01h，分類代碼：078000h。這是一個(gè)非標(biāo)準(zhǔn)pci設(shè)備，所以任意使用了一個(gè)保留值。

命令字：0001h。表示只支持i/o讀寫控制。

基地址寄存器：目標(biāo)設(shè)備只用到一個(gè)基地址寄存器，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)多個(gè)寄存器，定義控制寄存器地址為：基地址＋2ch；數(shù)據(jù)傳輸寄存器地址為：基地址＋18h。

其他沒有用到的配置寄存器在讀時(shí)全返回0。

主設(shè)備工作機(jī)制

主控host首先分配兩個(gè)內(nèi)存空間，一個(gè)用于存放地址信息，一個(gè)用于存放真正的數(shù)據(jù)。當(dāng)實(shí)驗(yàn)板做主設(shè)備時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸使用dma方式對(duì)存儲(chǔ)器空間直接進(jìn)行讀寫操作，數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)如圖2所示。

主設(shè)備先進(jìn)行存儲(chǔ)器讀操作，以從內(nèi)存空間1中讀取主控host分配的pageaddr和pagecnt。主設(shè)備得知內(nèi)存空間2的地址后，即可在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，讀取或者寫入到這些真正的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。實(shí)驗(yàn)板做主設(shè)備時(shí)，為了不和主控host上的其他主設(shè)備沖突，設(shè)定突發(fā)長(zhǎng)度為8，傳輸8個(gè)32位數(shù)據(jù)后釋放pci總線，然后開始申請(qǐng)總線使用權(quán)，以便繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)。上述操作均由時(shí)序狀態(tài)機(jī)進(jìn)行控制。

主設(shè)備時(shí)序狀態(tài)機(jī)

時(shí)序狀態(tài)機(jī)是pci接口控制器的核心，各種令名、數(shù)據(jù)交換、控制均在狀態(tài)機(jī)的管理下進(jìn)行工作。圖3是實(shí)驗(yàn)板做主設(shè)備時(shí)，pci總線接口控制器時(shí)序狀態(tài)機(jī)。實(shí)驗(yàn)板做目標(biāo)設(shè)備的狀態(tài)機(jī)就不在這里介紹了。

這一狀態(tài)機(jī)共有8個(gè)狀態(tài)，分別是：mstate_idle、mstate_req、mstate_addr、mstate_data、mstate_last、mstate_addr_p、mstate_data_p、mstate_last_p。他們代表總線作業(yè)時(shí)的不同階段，意義如下：

mstate_idle：主設(shè)備空閑狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)板目標(biāo)設(shè)備工作，當(dāng)host通過寫i/o方式通知目標(biāo)設(shè)備需要開始以dma方式傳輸大量數(shù)據(jù)時(shí)，start信號(hào)有效，主設(shè)備開始申請(qǐng)總線使用權(quán)，狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到mstate_req。

mstate_req：主設(shè)備開始申請(qǐng)總線使用權(quán)狀態(tài)。主設(shè)備開始申請(qǐng)總線使用權(quán)，使連接到仲裁器上的req_o_信號(hào)有效，通知仲裁器實(shí)驗(yàn)板的主設(shè)備需要使用pci總線，等待仲裁器的裁決。實(shí)驗(yàn)板主設(shè)備得到可以使用總線的通知時(shí)，必須等到前一個(gè)正在占用總線的主設(shè)備完成其傳輸，并且釋放總線后，才能真正使用pci總線，即實(shí)驗(yàn)板主設(shè)備需要采集到frame_i_無效并且irdy_i無效。當(dāng)pagecnt＝0表示一頁數(shù)據(jù)已經(jīng)傳輸完畢，于是開始讀取下一頁數(shù)據(jù)的存放地址，狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到mstate_addr。當(dāng)pagecnt?。?表示一頁數(shù)據(jù)還未傳完，狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到mstate_addr_p，繼續(xù)這一頁數(shù)據(jù)的傳輸。

mstate_addr：主設(shè)備頁地址狀態(tài)。這個(gè)狀態(tài)frame_o_信號(hào)有效，開始地址周期，ad上出現(xiàn)的是32位頁地址信息，cbe_o_上出現(xiàn)的是存儲(chǔ)器讀命令，這個(gè)狀態(tài)是準(zhǔn)備做存儲(chǔ)器讀操作，在總線上送出地址后，跳轉(zhuǎn)到mstate_data。

mstate_addr_p：主設(shè)備數(shù)據(jù)地址狀態(tài)。這個(gè)狀態(tài)同mstate_addr狀態(tài)一樣的是，開始地址周期。所不同的是ad上出現(xiàn)的是在mstate_data狀態(tài)下讀到的32位數(shù)據(jù)地址信息。根據(jù)需要，可以進(jìn)行讀/寫存儲(chǔ)器操作。

mstate_data：主設(shè)備讀頁信息狀態(tài)。這個(gè)狀態(tài)是讀存儲(chǔ)器，irdy_o_信號(hào)有效。數(shù)據(jù)真正的傳輸是在trdy_i_信號(hào)和irdy_o_信號(hào)同時(shí)有效時(shí)，可以讀取到數(shù)據(jù)是頁信息，代表存放數(shù)據(jù)的地址信息和存放數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度。數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐话l(fā)長(zhǎng)度是2，所以一次pci訪問讀取兩個(gè)32位數(shù)據(jù)，讀完一個(gè)數(shù)據(jù)后狀態(tài)立即跳轉(zhuǎn)到mstate_last去讀取最后一個(gè)數(shù)據(jù)。當(dāng)host主機(jī)要求停止數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，通過使stop_i_信息有效告訴主設(shè)備，主設(shè)備必須放棄這次數(shù)據(jù)的傳輸，狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到mstate_last。

mstate_data_p：主設(shè)備讀/寫數(shù)據(jù)狀態(tài)。這個(gè)狀態(tài)是數(shù)據(jù)的傳輸，突發(fā)長(zhǎng)度是8，一次pci訪問可以讀取8個(gè)32位數(shù)據(jù)，當(dāng)cnt＝2時(shí)，表示讀完7個(gè)數(shù)據(jù)，狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到mstate_last_p。與狀態(tài)mstate_data一樣，如果host主機(jī)要求停止數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，主設(shè)備必須放棄這次數(shù)據(jù)的傳輸，狀態(tài)馬上跳轉(zhuǎn)到mstate_last_p。

mstate_last：主設(shè)備讀取最后一個(gè)頁信息狀態(tài)。該狀態(tài)下frame_o_信號(hào)無效，irdy_o_信號(hào)有效，表示這是最后一個(gè)讀取數(shù)據(jù)周期，數(shù)據(jù)傳輸和mstate_data狀態(tài)一樣，是在trdy_i_信號(hào)和irdy_o_信號(hào)同時(shí)有效時(shí)。當(dāng)host主機(jī)要停止數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，stop_i_有效，主設(shè)備釋放總線并回到mstate_idle狀態(tài)，準(zhǔn)備開始申請(qǐng)下一次總線使用權(quán)，以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

mstate_last_p：主設(shè)備讀取最后一個(gè)數(shù)據(jù)狀態(tài)。這個(gè)狀態(tài)同mstate_last一樣，讀取的是這次pci訪問的最后一個(gè)數(shù)據(jù)。

下面是用verilog hdl描述的狀態(tài)機(jī)的核心代碼：

結(jié)束語

本文介紹了在fpga上實(shí)現(xiàn)pci接口控制器的設(shè)計(jì)方案，通過實(shí)驗(yàn)板做主設(shè)備進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的高速傳輸。采用對(duì)主控host內(nèi)存的直接讀/寫進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，用突發(fā)方式使用背靠背單數(shù)據(jù)傳送，在時(shí)鐘頻率33mhz下，數(shù)據(jù)流量接近每秒33百萬次傳送，實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)傳輸效果很好，完全符合pci總線的要求，這種設(shè)計(jì)提供了靈活的接口控制，為后續(xù)的視頻解碼ip核提供了良好的接口。