简易通用型PCI接口的VHDL-CPLD设计

    摘要：从PCI时序分析入手，重点阐述了PCI通用的状态机设计，说明了用VHDL语言来实现本PIC通信状态机的软件设计以及进行MaxPlusII验证的程序和方法。用该方法所设计的接口既可支持PCI常规传输，又可支持PCI猝发传输。

    关键词：PCI时序  CPLD器件  状态图  VHDL语言  PCI猝发传输

用CPLD设计所构成的CPI接口系统具有简洁、可靠等优点，是一种行之有效的设计途径。很多技术杂志和网站上，都有不少用CPLD设计PCI常规传输系统的文章。但用这些方法在MzxPlusII、Fundition等环境下进行模拟仿真时，其产生的时序往往与PCI规范有很大出入。虽然Altera等公司推出PCI核可以直接使用，但这样的内核占用CPLD资源较多，且能适配的器件种类少，同时价格也高，在实际设计应用中有很大的局限性。因此，使用通用型CPLD器件设计简易型PCI接口有很大的现实意义。在Compact接口的CPLD设计中，笔者根据PCI总线传输时序来进行状态机构造，并使用VHDL语言进行功能模拟和定时分析，从而达到了预期目的。用该方法设计的CPLD-PCI接口既可支持PCI常规传输，也可支持PCI猝发传输，而且在系统编程和下载器件方面，效果也都很好。

1 典型的CPLD-PCI接口模型简介

用CPLD作PCI接口所构成的系统模型如图1所示。这里，CPLD/FPGA用于完成PCI主/从传输时序的逻辑构成与变换，并对双口RAM进行适当操作。在整个系统的设计中，CPLD常常使用PCI总线的33MHz时钟，双口RAM常常选用高速器件来简化PCI传输的逻辑设计。

2 PCI总线传输时序分析

PCI总线传输至少需要40多条信号线，包括数据/地址线、接口控制线、仲裁、总线命令及系统线等。每次数据传输均由一个地址脉冲和一个或几个数据脉冲组成。一次传输一个地址和一个数据的称为常规传输；一次传输一个地址和一批数据的称为猝发传输。常用的控制信号有：帧同步信号FRAME、主设备准备好信号IRDY、从设备准备好信号TRDY、从设备选通信号DEVSEL、命令/字节信号C/BE等。图2 和图3分别给出了PCI单数据段和猝发操作时的读写时序。

分析PCI总线的传输时序，可以看出，PCI总线传输有以下几个显著特点：

（1）每次数据传输时首先传出地址和命令字，从设备一般可从地址中确定是不是对本机的访问，并确定访问的首地址；而从设备则从命令字中识别该访问是读操作还是写操作；

（2）读写访问只有在信号IRDY、TRDY、DEVSEL都为低状态时才能进行；

（3）猝发传输通常需要通过逻辑来实现地址的自动递加；

（4）主从设备中任一方没有准备好，操作中都需要能够引起等待状态插入的活动；

（5）系统通常在帧同步信号FRAME的下降沿诱发数据传输，而在上升沿指明只有一个数据或只剩下一个数据；

（6）读操作比写操作多一个中间准备过程。

图2

3 基于CPLD的状态机设计

3.1 状态机的构造

根据对上述时序图的分析，完成一个简易PCI总线传输需要设计六个状态：S0～S5，其中状态S0标识PCI总线空闲时期；状态S1标识地址与总线命令识别阶段；状态S2标识读操作入口的准备阶段；状态S3标识读/写访问周期；状态S4标识最后一个数据传输阶段；状态S5标识操作中的等待时期。

3.2 状态功能的确定

各状态所应执行的功能如下：

状态S0～S2用于对PCI总线置高信号TRDY和DEVSEL；对双口RAM则置高片选信号CS，以使读/写信号处于读状态，此时地址呈现三态。此外，在S1态还应依据地址信号来确定是不是对本机的选择，并识别是不是读或写操作。

状态S3～S4用于对PCI总线置低信号TRDY和DEVSEL；对双口RAM则产生片选信号CS、读或写信号，同时确定适当的读写访问地址。

状态S5用于对PCI总线置低信号TRDY和DEVSEL；并且对双口RAM置高片选信号CS，以使读/写信号处于读状态，此时地址呈现三态。

3.3 状态变化的确定

根据对PCI总线传输时序的分析，影响各个状态相互转化的因素是：帧同步信号FRAME、主设备准备好信号IRDY、从设备选择信号CS-MAP、读识别信号READ以及写识别信号WRITE。这里，可用CS-MAP、READ、WRITE来标识状态S1产生的中间识别信号。

图3

    需要注意，在状态S1时要寄存收到的首地址，而在状态S3变化时要适时进行地址递增。

还要注意状态机设计时产生的容错问题，以便在非设计状态下能够无条件回到空闲态S0。

由于采用的是高速双口RAM，并且规划分开了RAM两侧的写操作区域，因此可以认为：RAM是可以任意访问的。

3.4 状态图的规划

综上所述便可得出如图4所示的设计规划图。

4 VHDL语言的描述

设计时，使用三个进程和几个并行语句可实现整个CPLD的功能：一个进程用于完成从设备及其读写操作的识别；一个进程用于完成操作地址的获取与地址的递增；第三个进程完成状态机的变化。用几个并行语句完成操作信号的产生时，需要注意，各状态所完成的功能要用并行语句实现，不能再用进程，否则就会引起逻辑综合的麻烦，有时甚至根本不能综合。整 个程序如下：

LIBRARY ieee;

USE ieee.std_logic_1164.All;

USE ieee.std_logic_unsigned.ALL;

ENTTTY cpci IS

PORT(clk,rst,frame,irdy:IN STD_LOGIC;

ad_high : IN STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 24);

ad_low : IN STD_LOGIC_VECTOR(12 downto 0);

c_be : IN STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0);

trdy,devsel:OUT STD_LOGIC;

cs, r_w :OUT STD-LOGIC;

addr: OUT STD_LOGIC_VECTOR(12 downto 0);

END cpci;

ARCHITECTURE behave OF cpci IS

SIGNAL addr_map : STD_LOGIC_VECTOR(12 downto 0);

SIGNAL read,write,cs-map:STD_LOGIC;

TYPE state_type IS(s0,s1,s2,s3,s4,s5);

SIGNAL state: state_type;

BEGIN

Identify: PROCESS(clk)- -读、写、从设备的识别

BEGIN

IF rising_edge(clk)THEN

IF c_be=X"6"AND ad_high=X"50"AND state=s1

HTEN read < = '0'; - -读

write < = '1';

cs_map < ='0';

ELSIF c_be=X"7"AND ad_high= X"50"

AND state=s1 THEN

read < = '1'; - -写

write < = '0';

cs_map < ='0';

ELSIF state=s0 THEN

read < = '1';

write < = '1';

cs_map < ='1';

END IF;

END IF;

END PROCESS;

Addr_count:PROCESS (clk) - -操作地址的获取与地址的递增

BEGIN

IF falling_edge(clk)THEN

IF state=s1 THEN addr_map< =ad-low;

ELSIF state=s3 THEN addr_map< =addr-map+1;

END IF;

END IF;

END PROCESS;

- - 操作信号的产生

addr < = addr-map WHEN state=s3 OR state=s4

ELSE "ZZZZZZZZZZZZZ"

trdy < = '0' WHEN state=s3 OR state=s4 OR state=s5

ELSE '1';

devsel < = '0'WHEN state=s3 OR state=s4 OR state=s5

ELSE'1';

cs < ='0'WHEN state=s3 OR state=s4 ELSE '1';

r-w < =NOT clk WHEN write='0'AND (state=s3 OR state=s4)ELSE'1';

state-change:PROCESS(clk,rst) - - 状态机的变化

BEGIN

IF rst='0'THEN state < = s0;

ELSIF falling-edge(clk)THEN

CASE state IS

WHEN s0 = >

IF frame='1'AND irdy='1'THEN state < = s0;

ELSIF frame='0' AND irdy= '1' THEN state < = s1;

END IF;

WHEN s1 = >

IF cs_map='1'OR (read='1'AND write ='1')

THEN state < = s0;

ELSIF irdy='1'AND read='0' THEN state < =s2;

ELSIF frame='0'AND irdy='0'AND write='0'

THEN state < = s3;

ELSIF frame='1'AND irdy='0'AND write='0'

THEN state < = s4;

END IF;

WHEN s2 = >

IF frame='1'AND irdy='1'THEN state < = s0;

ELSIF frame='0'AND irdy='0'AND read='0'

THEN state < = s3;

ELSIF frame='1'AND irdy='0'AND read='0'

THEN state < = s4;

END IF;

WHEN s3 = >

IF frame='1'AND irdy='1'THEN state < = s0;

ELSIF frame='0' AND irdy= '1' THEN state < = s5;

ELSIF frame='1'AND irdy='0' THEN state < =s4;

ELSIF frame='0' AND irdy= '1' THEN state < = s3;

END IF;

WHEN s4 = >

ELSIF frame='1'AND irdy='0'THEN state < = s4;

END IF;

WHEN s5 = >

IF frame='1'AND irdy='1'THEN state < = s0;

ELSIF frame='0' AND irdy= '0'THEN state < = s3;

ELSIF frame='1'AND irdy='0' THEN state < =s4;

ELSE state < = s5;

END IF;

WHEN OTHERS = > state < = s0;

END CASE;

END IF;

END PROCESS state_change;

END behave。

图5

5 MaxPlusII的验证

设计CPLD时，可使用MaxPlusII软件来进行逻辑综合、功能模拟与定时分析。本例选用Altera的Max7000系列在系统可编程器件EPM7064SLC84-5。图5所示是其读写访问的仿真波形图。