嵌入式系統(tǒng)中PCI總線仲裁器的設計方法

作者：時間：2011-09-23 來源：網(wǎng)絡

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　　嵌入式系統(tǒng)（Embedded system），是一種“完全嵌入受控器件內部，為特定應用而設計的專用計算機系統(tǒng)”，根據(jù)英國電器工程師協(xié)會（ U.K. InstitutiON of Electrical Engineer）的定義，嵌入式系統(tǒng)為控制、監(jiān)視或輔助設備、機器或用于工廠運作的設備。與個人計算機這樣的通用計算機系統(tǒng)不同，嵌入式系統(tǒng)通常執(zhí)行的是帶有特定要求的預先定義的任務。由于嵌入式系統(tǒng)只針對一項特殊的任務，設計人員能夠對它進行優(yōu)化，減小尺寸降低成本。由于嵌入式系統(tǒng)通常進行大量生產。所以單個的成本節(jié)約，能夠隨著產量進行成百上千的放大。

　　PCI總線是現(xiàn)今最為流行的工業(yè)控制總線之一。它廣泛地應用在計算機中，很多目標嵌入式設備中的解決方案都包含了PCI總線。這里介紹一種基于CPLD（復雜可編程邏輯器件）的PCI總線仲裁器的設計方法，可以為系統(tǒng)量身定制適合于系統(tǒng)本身的PCI總線仲裁器。

　　1 PCI總線仲裁簡介

　　1.1 PCI總線的仲裁原理

　　PCI總線是一種共享式的總線，可以連接多個主設備，但由于數(shù)據(jù)傳輸?shù)莫氄夹?，每一時刻只能由一個主設備占用總線。因此，為了有效地利用PCI總線寬帶，必須設置一個總線仲裁器，按照一定的算法協(xié)調系統(tǒng)中各個主設備的操作。

　　PCI總線仲裁的裁決過程可以在PCI傳輸期間完成，并不占用PCI總線的寬帶，這稱為隱式仲裁，即需要發(fā)起PCI操作的設備可以隨時發(fā)出請求REQ＃，PCI仲裁器立即批準該請求被給出GNT＃，但是真正的傳輸操作一定要等到當前傳輸完成，即總線空閑后才可以開始，圖1描述了PCI總線設備與仲裁器的關系。

　　1.2 PCI總線仲裁規(guī)則約定

　　（1）仲裁器的仲裁算法必須保證所有的設備都能得到授權的機會，否則將會出現(xiàn)某個優(yōu)先級低的設備永遠不能占有總線進行事務操作的情況。

　?。?）如果FRAME無效，GNT可以在任意時間撤銷，以便服務于另一個主設備或者作為對主設備車REQ的響應。

　?。?）如果GNT信號被撤銷但FRAME有信號，當前的總線正在傳輸數(shù)據(jù)，則操作合法。

　?。?）如果總線不處于空閑狀態(tài)，則允許一個GNT的撤銷和另一個GNT的發(fā)生在同一個周期，如果處在空閑狀態(tài)，則要求一個GNT撤銷到下一個GNT的發(fā)出之間必須有一個時鐘周期間隔，否則可能會在AD線和PAR線上出現(xiàn)沖突。

　　（5）GNT信號的每次發(fā)出，只限于相應的總線主控器可以使用總線進行一次總線操作。仲裁器會按照特定的仲裁算法來決定是否仍判給該主設備。

　?。?）一個主控器可以在任意時刻撤銷其REQ信號，REQ信號一旦撤銷，仲裁器將認為該設備不再請求使用總線，因而撤銷其GNT信號。

　?。?）如果當前的主控器在它的GNT信號發(fā)出后，持續(xù)16個空閑周期還沒有開始總線操作，則仲裁器視其為超時，仲裁器可以在任意時刻撤銷GNT信號。

　　1.3 PCI總線仲裁的算法

　　目前，應用于PCI總線仲裁的算法主要有固定優(yōu)先級算法和動態(tài)優(yōu)先級算法兩種，在固定優(yōu)先級算法中，各個設備的優(yōu)先級是事先確定好的，仲裁器針對事先設定好的優(yōu)先級為每個設備分配使用權。最常用的是循環(huán)優(yōu)先級算法，即每次仲裁授權后將排隊中的設備優(yōu)先級加1。因其算法簡單，且對大部分應用都十分有效。

　　1.4 總線?？?/STRONG>

　　當PCI總線空閑時，一個設備從申請總線到被授權使用，最小也需要2個時鐘周期，這對于PCI總線是一種浪費。因此仲裁器通常選中一個最經常占用總線的設備，PCI總線空閑時將GNT＃賦予它，這叫做總線?？?。當總線空閑時，該設備需要占用總線時可馬上得到批準。

　　2 雙主設備PCI總線仲裁器的實現(xiàn)

　　下面描述了一個具有兩個設備的總線仲裁器的硬件實現(xiàn)，其一為TriMedia嵌入式DSPCPU PNX1300，其二為Intel i82559網(wǎng)絡控制器，系統(tǒng)結構如圖2所示。

　　該仲裁器的接口信號如表1所示。

　　為了設計方便起見，在程序中設計三類狀態(tài)機：總線狀態(tài)狀態(tài)機、總線主設備查詢狀態(tài)機、仲裁狀態(tài)機。

　　2.1 總線狀態(tài)狀態(tài)機

　　總線狀態(tài)狀態(tài)機用于記錄總線事務的狀態(tài)，定義如下：

　　type bus_state is（IDLE，BUSY，LAST_DATA，F(xiàn)INISH）

　　四種狀態(tài)分別表示總線空閑、忙、最后一個數(shù)據(jù)傳輸期以及傳輸完成。狀態(tài)圖如圖3。

　　下面是以VHDL代碼形式實現(xiàn)的該狀態(tài)機的狀態(tài)轉換關系。

　　2.2總線主設備查詢狀態(tài)機

　　總線主設備查詢狀態(tài)機用來決定當前是否需要重新指定一個主設備，重新指定一個主設備的條件是：（1）當前被授權的設備已開始傳輸；（2）當前被授權的設備沒有開始傳輸并且超時。將主設備查詢狀態(tài)分為IDLE、GNT1、GNT2、WAIT_NOBUSY和WAIT_BUSY2五個狀態(tài)，并設置計數(shù)器count，當總線上某個設備被授權，16個周期仍然沒有開始操作，count超過16，被視為超時，仲裁器可以撤銷其仲裁授權，并傳授其他設備，程序根據(jù)這個狀態(tài)機的輸出結果決定仲裁狀態(tài)機是否改變。

　　狀態(tài)轉換如圖4所示，狀態(tài)機描述的VHDL代碼略。

　　主設備查詢狀態(tài)機的輸出信號search_master：

　　該狀態(tài)機的驅動條件是由總線狀態(tài)狀態(tài)機的輸出結果、仲裁狀態(tài)機的狀態(tài)以及計數(shù)器產生的超時信號組成。該狀態(tài)機的輸出search_master作為仲裁狀態(tài)機狀態(tài)轉換使能信號，該信號有效時，仲裁狀態(tài)機才進行當前狀態(tài)的改變。

　　2.3 仲裁狀態(tài)機

　　仲裁狀態(tài)機表示總線仲裁器的狀態(tài)，定義如下：