基于FPGA的PCI總線接口設(shè)計(jì)

在現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)中，isa、eisa、mca等擴(kuò)展總線已無(wú)法適應(yīng)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，而pci局部總線以其優(yōu)異性?xún)r(jià)比和適應(yīng)性成為大多數(shù)系統(tǒng)的主流總線。

pci總線特點(diǎn)

pci總線寬度32位，可升級(jí)到64位；最高工作頻率33mhz，支持猝發(fā)工作方式，使傳輸速度更高；低隨機(jī)訪問(wèn)延遲(對(duì)從總線上的主控寄存器到從屬寄存器的寫(xiě)訪問(wèn)延遲為60ns)；處理器/內(nèi)存子系統(tǒng)能力完全一致；隱含的中央仲裁器；多路復(fù)用體系結(jié)構(gòu)減少了管腳數(shù)和pci部件；給于isa、eisa、mac系統(tǒng)的pci擴(kuò)展板，減少了用戶(hù)的開(kāi)發(fā)成本；對(duì)pci擴(kuò)展卡及元件能夠自動(dòng)配置，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的即插即用；處理器獨(dú)立，不依賴(lài)任何cpu，支持多種處理器及將來(lái)更高性能的處理器；支持64位地址；多主控制允許任何pci主設(shè)備和從設(shè)備之間進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)訪問(wèn)；pci提供數(shù)據(jù)和地址的奇偶校驗(yàn)功能，保證了數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。

pci接口開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀

目前開(kāi)發(fā)pci接口大體有兩種方式，一是使用專(zhuān)用的pci接口芯片，可以實(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(hù)接口。用戶(hù)只要設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換后的總線接口即可，縮短了開(kāi)發(fā)周期，缺點(diǎn)是用戶(hù)可能只用到部分pci接口功能，這樣造成了一定的邏輯資源浪費(fèi)，也缺乏靈活性，很可能增加板上的組件，導(dǎo)致產(chǎn)品成本的增加和可靠性的降低。二是使用可編程器件，采用fpga的優(yōu)點(diǎn)在于其靈活的可編程性，首先pci接口可以依據(jù)插卡功能進(jìn)行最優(yōu)化，而不必實(shí)現(xiàn)所有的pci功能，這樣可以節(jié)約系統(tǒng)的邏輯資源。而且，用戶(hù)可以將pci插卡上的其他用戶(hù)邏輯與pci接口邏輯集成在一個(gè)芯片上，實(shí)現(xiàn)緊湊的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。當(dāng)系統(tǒng)升級(jí)時(shí)，只需對(duì)可編程器件重新進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)，而無(wú)需更新pcb版圖。現(xiàn)在已經(jīng)有越來(lái)越多的用戶(hù)使用可編程器件如fpga、cpld等進(jìn)行pci設(shè)備的開(kāi)發(fā)。

本文所論述的pci接口控制器是作為一個(gè)轉(zhuǎn)換接口工作于pci總線與用戶(hù)設(shè)備之間，也可以認(rèn)為其主要功能是起一個(gè)橋梁作用，完成用戶(hù)設(shè)備與pci總線間的信息傳送。

pci接口設(shè)計(jì)

在pci板卡的設(shè)計(jì)中，核心設(shè)計(jì)有時(shí)序控制和配置空間兩部分。時(shí)序控制保證了板卡能按正常的pci時(shí)序工作，配置空間部分保證了板卡的即插即用功能。在進(jìn)行fpga設(shè)計(jì)時(shí)本設(shè)計(jì)使用的軟件是altera的max+plusii，開(kāi)發(fā)芯片是epf10k20rc240-3。

● pci接口配置空間的實(shí)現(xiàn)

pci總線定義了3種物理地址空間，分別是存儲(chǔ)器地址空間、i/o地址空間和配置地址空間。

配置空間是pci所特有的一種空間，其目的在于提供一套適當(dāng)?shù)呐渲么胧?，使之滿(mǎn)足現(xiàn)行的和可預(yù)見(jiàn)的系統(tǒng)配置機(jī)構(gòu)。配置空間是一長(zhǎng)度為256字節(jié)并且有特定記錄結(jié)構(gòu)的地址空間，可以在系統(tǒng)自舉時(shí)訪問(wèn)，也可在其他時(shí)間訪問(wèn)。該空間分為首部區(qū)和設(shè)備有關(guān)區(qū)兩部分，設(shè)備在每個(gè)區(qū)中只須實(shí)現(xiàn)必要的和與之相關(guān)的寄存器。配置空間的基地址寄存器提供了一種為設(shè)備指定存儲(chǔ)空間或i/o空間的機(jī)制。操作系統(tǒng)在啟動(dòng)的時(shí)候要判斷系統(tǒng)中有多少存儲(chǔ)器、系統(tǒng)中的i/o設(shè)備需要多少地址空間，然后根據(jù)得到的結(jié)果，自動(dòng)配置系統(tǒng)的存儲(chǔ)空間和i/o空間，實(shí)現(xiàn)設(shè)備無(wú)關(guān)管理。在本設(shè)計(jì)中，那些只讀的配置寄存器通過(guò)硬件連線到相應(yīng)的值，因而不占用宏單元。通過(guò)配置寄存器，配置軟件可了解目標(biāo)設(shè)備的存在、功能及配置要求。

(1)廠商id：此16位的只讀寄存器定義了設(shè)備的生產(chǎn)廠商，可以使用mach芯片最初的生產(chǎn)廠商－amd公司的id值1022。
(2)設(shè)備id：該值由生產(chǎn)廠商分配以識(shí)別其產(chǎn)品，可為除00000000h和0ffffffffh中的任意值。
(3)命令寄存器：此寄存器控制了設(shè)備響應(yīng)pci訪問(wèn)的能力。位1、6、8在本設(shè)計(jì)中被實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)空間的訪問(wèn)，位1設(shè)置為1，則設(shè)備響應(yīng)pci對(duì)存儲(chǔ)器訪問(wèn)；位6控制了設(shè)備對(duì)奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤的響應(yīng)；當(dāng)位8被設(shè)置為1時(shí)，設(shè)備能夠驅(qū)動(dòng)serr線，0則禁止設(shè)備的serr輸出驅(qū)動(dòng)器。在這里當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位后，位1、6、8被設(shè)置為0。
(4)狀態(tài)寄存器：此寄存器記錄了pci相關(guān)事件的信息。在本系統(tǒng)中，位9、10、11、14、15被設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。位10∶9為設(shè)備選擇(devsel#)定時(shí)，00b為慢速，01b為中速，10b為快速，11b保留。本設(shè)計(jì)這兩位被硬件連線為01b。當(dāng)目標(biāo)設(shè)備失敗時(shí)，位11被設(shè)置為1，當(dāng)發(fā)生系統(tǒng)錯(cuò)誤時(shí)位14置1，發(fā)生奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤時(shí)位15置1。
(5)基地址寄存器：該寄存器用來(lái)映射設(shè)備的存儲(chǔ)器地址空間，與設(shè)備地址空間大小相應(yīng)的低位被強(qiáng)制為0，因此在配置寫(xiě)交易中，配置軟件通過(guò)對(duì)這個(gè)寄存器的所有位寫(xiě)1，然后再讀出該寄存器的值來(lái)決定設(shè)備存儲(chǔ)器所占用的地址范圍。位0用來(lái)定義設(shè)備是存儲(chǔ)器映射還是i/o映射，在本設(shè)計(jì)中，位0被設(shè)為低以表明目標(biāo)設(shè)備為存儲(chǔ)器映射的。
如需要256字節(jié)的存儲(chǔ)空間，配置軟件寫(xiě)入0ffffffffh，本設(shè)備送出0ffffff00h，而配置軟件再次寫(xiě)入基地址寄存器的值與本設(shè)備的0ffffff00h相與的結(jié)果就是基地址值，如配置軟件再次寫(xiě)入0cd000000h則基地址值為0cd000000h。
(6)類(lèi)代碼寄存器：這個(gè)24位的只讀寄存器用來(lái)說(shuō)明設(shè)備的基本功能和它的可編程接口。這里，此寄存器被強(qiáng)制為018000h，即設(shè)備為大容量存儲(chǔ)控制器。
(7)首部類(lèi)型寄存器：這個(gè)只讀寄存器的位0～6定義了首部格式，位7說(shuō)明了設(shè)備為單功能還是多功能。首部類(lèi)型1為pci-pci橋定義，首部類(lèi)型2則用于pci cardbus橋。在本設(shè)計(jì)中寄存器被強(qiáng)制為0來(lái)顯示其為單功能設(shè)備且首部類(lèi)型為0。

● 時(shí)序控制
---在時(shí)序控制程序中采用狀態(tài)機(jī)模型來(lái)實(shí)現(xiàn)不同時(shí)序的轉(zhuǎn)換。各種命令、數(shù)據(jù)交換、控制均在狀態(tài)機(jī)的管理下進(jìn)行工作。pci總線上的信號(hào)是并行工作的，因此，對(duì)應(yīng)每個(gè)狀態(tài)必須明確其執(zhí)行的任務(wù)。這些任務(wù)要用vhdl的進(jìn)程語(yǔ)句來(lái)描述所發(fā)生的事件。本設(shè)計(jì)中的狀態(tài)機(jī)共使用了6種狀態(tài)，它以從設(shè)備響應(yīng)狀況為依據(jù)，主要以devsel#信號(hào)和trdy#信號(hào)的狀況為依據(jù)。狀態(tài)機(jī)如圖1所示，分別對(duì)應(yīng)空閑狀態(tài)(此狀態(tài)devsel#、trdy#和stop#以及其他輸出信號(hào)為高阻態(tài))；準(zhǔn)備狀態(tài)、devsel#和trdy#均為高電平狀態(tài)，devsel#為低電平且trdy#為高電平狀態(tài)，devsel#和trdy#均為低電平狀態(tài)；操作結(jié)束狀態(tài)(此狀態(tài)使devsel#、trdy#和stop#維持一個(gè)周期高電平)。本系統(tǒng)接到復(fù)位信號(hào)后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位，然后轉(zhuǎn)入空閑狀態(tài)，在空閑狀態(tài)中采樣總線，并根據(jù)總線的變化來(lái)決定下一個(gè)時(shí)鐘上升沿后狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)入何種狀態(tài)，這些時(shí)序和程序中用到的信號(hào)都是基本且必須的，在進(jìn)行開(kāi)發(fā)時(shí)可以根據(jù)需要增添必要的狀態(tài)和信號(hào)，vhdl對(duì)狀態(tài)機(jī)的描述如下。