PCI总线仲裁器的设计与实现
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摘要：基于Altera的CPLD器件的PCI总线仲裁器设计，实现仲裁器的AHDL编程，并结合仿真结果对PCI总线的仲裁进行了论述。
关键词：PCI仲裁器，CPLD，仿真
PCI总线仲裁器通常是集成在PCI芯片组中。随着计算机应用的深入，尤其是嵌入式系统的不断发展，集成的仲裁器难以满足某些场合的应用。而采用CPLD技术实现的独立的PCI总线仲裁器，则较好的适应了这方面的需求。
一﹑PCI总线仲裁机制
PCI的仲裁是基于设备访问，而不是基于时间分配的。在任一时刻，总线上的一个主设备要想获得对总线的控制权，就必须发出它的请求信号（PCIreqN），如果此刻该设备有权控制总线，总线仲裁器就使该设备的总线占用允许信号（PCIgntN）有效，进而获得总线的使用权。当有多个主设备同时发出总线控制请求时，就必须由仲裁器根据一定的算法判定，当前应该由哪个主设备获得控制权。
二、仲裁算法
常用的仲裁算法有：公平算法、循环算法等。
本仲裁器设计采用的是循环算法，设备的优先级预先设定。目前的设计实现对四个PCI设备请求的仲裁，各设备优先级由高到低安排为：设备0 >设备1 > 设备2 > 设备3。
系统启动伊始，没有设备使用PCI总线，也没有设备请求使用PCI总线，仲裁器总是设定设备0拥有总线控制权，即将总线停靠于设备0。此时设备0的PCIgntN是有效的。而在此之后，仲裁器总是指定PCI总线的最后一个使用者为总线的停靠设备。
当有一个或多个设备提出拥有总线使用权的请求时，仲裁器将按照事先安排的设备优先级顺序逐一查询。对于只有一个设备请求的情况，该设备的请求将会马上得到响应；如果多个设备同时发出请求时，仲裁器裁定首先响应优先等级高的设备的请求，当此设备完成数据传输交出总线使用权后，再由优先等级低的设备使用总线。示意框图见图2。
如果一个设备已获得总线使用权并且正在进行地址、数据传输时，比它优先级别高的设备也发出了占用请求，仲裁器将会撤销优先级别低的设备的总线占用信号，并把总线使用权交给优先级别高的设备，同时还要确保在任一时刻不会出现多个设备同时占用总线的情况。具体见仿真分析。
三、编程设计与实现
本设计使用AHDL语言，在MaxplusII 10.0上编译通过，并进行了仿真。
1. 仲裁器信号定义
SUBDESIGN PCI_arb
( -- 输入
PCIclk ：INPUT -- PCI时钟
Arbiter_rstN ：INPUT -- 复位信号
PCIreqN[3..0] ：INPUT -- 总线占用请求信号
frameN ：INPUT -- 数据交易的启动或开始，主设备发出
irdyN ：INPUT --交易数据准备好，主设备发出
-- 输出
PCIgntN[3..0] ：OUTPUT -- 总线占用允许信号
)
frameN和irdyN决定了总线的状态，只要两个信号中的一个有效，就表明总线上有数据通过，总线处于忙状态；当两个信号都无效时，则总线处于空闲状态。
2. 仲裁器状态机定义
parb_sm : MACHINE
OF BITS ( PARB2 , PARB1 , PARB0 )
WITH STATES (
PARB_SLT0 = 0, -- PCIgnt0#有效，设备0拥有总线使用权，总线空闲
PARB_SLT0D = 1, -- PCIgnt0#有效，数据在总线上传输，总线处于忙状态
PARB_SLT1 = 2, -- 以下类同
PARB_SLT1D = 3,
PARB_SLT2 = 4,
PARB_SLT2D = 5,
PARB_SLT3 = 6,
PARB_SLT3D = 7 )；
3. 仲裁的实现
由于采用循环算法，对每一个设备而言状态的变换都是相同的，下面仅以设备0的状态转换为例：
CASE parb_sm IS
WHEN PARB_SLT0 =>
IF ( !frameN # !irdyN # frameN & irdyN & PARBtout4 ) THEN
IF ( !PCIreqN1 ) THEN
PCIgntN1 = GND;
parb_sm = PARB_SLT1D;
ELSIF ( !PCIreqN2 ) THEN
PCIgntN2 = GND;
parb_sm = PARB_SLT2D;
ELSIF ( !PCIreqN3 ) THEN
PCIgntN3 = GND;
parb_sm = PARB_SLT3D;
ELSE
PCIgntN0 = GND;
parb_sm = PARB_SLT0D;
ELSE
PCIgntN0 = GND;
parb_sm = PARB_SLT0D;
END IF;
WHEN PARB_SLT0D =>
PCIgntN0 = GND;
IF ( frameN & irdyN ) THEN
parb_sm = PARB_SLT0;
ELSE
Parb_sm = PARB_SLT0D;
END IF;
为了避免AD线上和PAR线上出现时序竞争，一个设备的PCIgntN信号有效和另一个设备的PCIgntN的撤销，如果不是在总线空闲状态，则两者之间至少要有一个时钟的延迟。设计中，将每个设备占用总线的状态分为两部分，PARB_SLTx(总线空闲)和PARB_SLTxD(总线忙)；状态机不能从一个设备的PARB_SLTxD状态直接转到另一个设备的PARB_SLTyD状态，中间必须经过至少一个时钟的PARB_SLTx状态的衔接，这样就避免了总线上竞争的出现。
代码中，PARBtout为一5位计数器，对PCI时钟个数进行计数，用来判别设备发出请求信号后是否在规定时间内（16个时钟，即PARBtout[4..0] = 10000）占据了总线，启动了数据的传输；如果超时，则撤销该设备的请求信号，并按预设的优先级顺序，对其余设备总线使用权进行新一轮的裁定。计数器的编程实现：
IF ( PARBtout4 # PCIreqN0 & PCIreqN1 & PCIreqN2 & PCIreqN3 ) THEN
PARBtout [ ] = 0;
ELSIF ( frameN & irdyN ) THEN
PARBtout [ ] = PARBtout [ ] + 1;
ELSE
PARBtout [ ] = 0;
END IF;
四、仿真分析
1. 单一设备总线请求情况
系统初始化后自动将总线停靠于设备0上,总线处于空闲状态，frameN、irdyN均为高电平。需要强调的一点是，仲裁所用的PCI控制信号均在PCI时钟信号的上升沿采样而得。如图3所示，设备2发出总线占用信号，仲裁器在时钟上升沿A处采样到该信号，并开始启动PARBtout计数，此时的frameN、irdyN为高电平，设备0仍然拥有总线使用权；随后设备2驱动使得frameN和irdyN有效，在时钟上升沿B处，仲裁器采样到frameN和irdyN，计数器清零，使设备2的PCIgntN2信号有效，从而占用总线，设备把地址、数据驱动到总线上，总线处于忙状态。
之后，设备2撤销其PCIreqN2信号，放弃对总线的占用；接着frameN、irdyN信号相继无效，表明数据传输的完成，总线变为空闲，仲裁器在C处采样后，将总线停靠在设备2上。
2. 多个设备同时请求总线使用权（以两个设备为例）
设备3首先发出请求信号，仲裁器在时钟A处采样后，计数器开始计数，此时总线仍然为设备0占用着；在时钟B处的采样，检测到frameN有效，表明数据传输的开始，仲裁器使得PCIgntN3信号有效，设备3获得总线所有权；
在随后的一个时钟上升沿，仲裁器采样到设备2的总线请求信号，此时由于frameN、irdyN依然有效，表明数据传输正在进行中，必须等当前数据传输完成后，设备2才能占用总线进行自己的数据传输，此时仲裁器隐含设定设备2拥有总线使用权。设备3在时钟C之前使得frameN、irdyN无效，总线进入空闲状态，停靠在设备3上。设备2检测到总线空闲，驱动自己的frameN、irdyN信号，仲裁器在时钟D处采样到有效的frameN、irdyN信号后，使PCIgntN2有效，设备2占据总线，开始数据的传输。设备2使用完总线后，使总线回到空闲状态，停靠在设备2上；设备3检测到总线空闲，再次驱动frameN、irdyN有效，从而再次获得总线使用权(时钟上升沿F处)。所有传输完成后，总线将停靠在设备3上。
值得一提的是，如果设备3在被迫交出总线前不能完成所有数据的传输，它必须使自己的PCIreqN3信号持续有效，这样在设备2用完总线后，仲裁器能将使用权交回，从而完成剩余数据的传输。
图5为设备获得总线使用权，在设定的16个时钟周期内没有启动传输，仲裁器状态的变换。仍以两个设备为例。
五、应用CPLD进行PCI总线仲裁器的设计，系统结构简单；配置灵活，可以根据系统的需要，对有关信号进行裁减或者扩展；在线修改方便。本设计采用Altera的EPM3064实现，并应用于所设计的系统板中。
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