基于FPGA的PCI总线接口设计

---在现代数据采集及处理系统中，ISA、EISA、MCA等扩展总线已无法适应高速数据传输的要求，而PCI局部总线以其优异性价比和适应性成为大多数系统的主流总线。

PCI总线特点
---PCI总线宽度32位，可升级到64位；最高工作频率33MHz，支持猝发工作方式，使传输速度更高；低随机访问延迟(对从总线上的主控寄存器到从属寄存器的写访问延迟为60ns)；处理器/内存子系统能力完全一致；隐含的中央仲裁器；多路复用体系结构减少了管脚数和PCI部件；给于ISA、EISA、MAC系统的PCI扩展板，减少了用户的开发成本；对PCI扩展卡及元件能够自动配置，实现设备的即插即用；处理器独立，不依赖任何CPU，支持多种处理器及将来更高性能的处理器；支持64位地址；多主控制允许任何PCI主设备和从设备之间进行点对点访问；PCI提供数据和地址的奇偶校验功能，保证了数据的完整性和准确性。

PCI接口开发现状
---目前开发PCI接口大体有两种方式，一是使用专用的PCI接口芯片，可以实现完整的PCI主控模块和目标模块接口功能，将复杂的PCI总线接口转换为相对简单的用户接口。用户只要设计转换后的总线接口即可，缩短了开发周期，缺点是用户可能只用到部分PCI接口功能，这样造成了一定的逻辑资源浪费，也缺乏灵活性，很可能增加板上的组件，导致产品成本的增加和可靠性的降低。二是使用可编程器件，采用FPGA的优点在于其灵活的可编程性，首先PCI接口可以依据插卡功能进行最优化，而不必实现所有的PCI功能，这样可以节约系统的逻辑资源。而且，用户可以将PCI插卡上的其他用户逻辑与PCI接口逻辑集成在一个芯片上，实现紧凑的系统设计。当系统升级时，只需对可编程器件重新进行逻辑设计，而无需更新PCB版图。现在已经有越来越多的用户使用可编程器件如FPGA、CPLD等进行PCI设备的开发。
---本文所论述的PCI接口控制器是作为一个转换接口工作于PCI总线与用户设备之间，也可以认为其主要功能是起一个桥梁作用，完成用户设备与PCI总线间的信息传送。

PCI接口设计
---在PCI板卡的设计中，核心设计有时序控制和配置空间两部分。时序控制保证了板卡能按正常的PCI时序工作，配置空间部分保证了板卡的即插即用功能。在进行FPGA设计时本设计使用的软件是Altera的MAX+PLUSII，开发芯片是EPF10K20RC240-3。
● PCI接口配置空间的实现
---PCI总线定义了3种物理地址空间，分别是存储器地址空间、I/O地址空间和配置地址空间。
--- 配置空间是PCI所特有的一种空间，其目的在于提供一套适当的配置措施，使之满足现行的和可预见的系统配置机构。配置空间是一长度为256字节并且有特定记录结构的地址空间，可以在系统自举时访问，也可在其他时间访问。该空间分为首部区和设备有关区两部分，设备在每个区中只须实现必要的和与之相关的寄存器。配置空间的基地址寄存器提供了一种为设备指定存储空间或I/O空间的机制。操作系统在启动的时候要判断系统中有多少存储器、系统中的I/O设备需要多少地址空间，然后根据得到的结果，自动配置系统的存储空间和I/O空间，实现设备无关管理。在本设计中，那些只读的配置寄存器通过硬件连线到相应的值，因而不占用宏单元。通过配置寄存器，配置软件可了解目标设备的存在、功能及配置要求。
---(1)厂商ID：此16位的只读寄存器定义了设备的生产厂商，可以使用MACH芯片最初的生产厂商－AMD公司的ID值1022。
---(2)设备ID：该值由生产厂商分配以识别其产品，可为除00000000H和0FFFFFFFFH中的任意值。
---(3)命令寄存器：此寄存器控制了设备响应PCI访问的能力。位1、6、8在本设计中被实现。本设计要求实现对存储空间的访问，位1设置为1，则设备响应PCI对存储器访问；位6控制了设备对奇偶校验错误的响应；当位8被设置为1时，设备能够驱动SERR线，0则禁止设备的SERR输出驱动器。在这里当系统复位后，位1、6、8被设置为0。
---(4)状态寄存器：此寄存器记录了PCI相关事件的信息。在本系统中，位9、10、11、14、15被设计实现。位10∶9为设备选择(DEVSEL#)定时，00B为慢速，01B为中速，10B为快速，11B保留。本设计这两位被硬件连线为01B。当目标设备失败时，位11被设置为1，当发生系统错误时位14置1，发生奇偶校验错误时位15置1。
---(5)基地址寄存器：该寄存器用来映射设备的存储器地址空间，与设备地址空间大小相应的低位被强制为0，因此在配置写交易中，配置软件通过对这个寄存器的所有位写1，然后再读出该寄存器的值来决定设备存储器所占用的地址范围。位0用来定义设备是存储器映射还是I/O映射，在本设计中，位0被设为低以表明目标设备为存储器映射的。
如需要256字节的存储空间，配置软件写入0FFFFFFFFH，本设备送出0FFFFFF00H，而配置软件再次写入基地址寄存器的值与本设备的0FFFFFF00H相与的结果就是基地址值，如配置软件再次写入0CD000000H则基地址值为0CD000000H。
---(6)类代码寄存器：这个24位的只读寄存器用来说明设备的基本功能和它的可编程接口。这里，此寄存器被强制为018000H，即设备为大容量存储控制器。
---(7)首部类型寄存器：这个只读寄存器的位0～6定义了首部格式，位7说明了设备为单功能还是多功能。首部类型1为PCI-PCI桥定义，首部类型2则用于PCI CardBus桥。在本设计中寄存器被强制为0来显示其为单功能设备且首部类型为0。

● 时序控制
---在时序控制程序中采用状态机模型来实现不同时序的转换。各种命令、数据交换、控制均在状态机的管理下进行工作。PCI总线上的信号是并行工作的，因此，对应每个状态必须明确其执行的任务。这些任务要用VHDL的进程语句来描述所发生的事件。本设计中的状态机共使用了6种状态，它以从设备响应状况为依据，主要以DEVSEL#信号和TRDY#信号的状况为依据。状态机如图1所示，分别对应空闲状态(此状态DEVSEL#、TRDY#和STOP#以及其他输出信号为高阻态)；准备状态、DEVSEL#和TRDY#均为高电平状态，DEVSEL#为低电平且TRDY#为高电平状态，DEVSEL#和TRDY#均为低电平状态；操作结束状态(此状态使DEVSEL#、TRDY#和STOP#维持一个周期高电平)。本系统接到复位信号后对系统进行复位，然后转入空闲状态，在空闲状态中采样总线，并根据总线的变化来决定下一个时钟上升沿后状态机转入何种状态，这些时序和程序中用到的信号都是基本且必须的，在进行开发时可以根据需要增添必要的状态和信号，VHDL对状态机的描述如下。
--- type pci_state is (Idle, Ready, DevTrdyHi, DevLoTrdyHi, DevTrdyLo, OprOver);
signal c_state :pci_state;
---Idle为空闲状态；Ready为准备状态；DevTrdyHi表示DEVSEL#和TRDY#均为高电平状态；DevLoTrdyHi表示DEVSEL#为低电平且TRDY#为高电平状态；DevTrdyLo表示DEVSEL#和TRDY#均为低电平状态；OprOverr表示操作结束状态。
程序如下。
process(pci_rst,pci_clk)
begin
if pci_rst = '0' then
c_state <= Idle;
elsif pci_clk'event and pci_clk='1' then
case c_state is
when Idle=>
if pci_frame_l='1' and pci_irdy_l='1' then
c_state <= Idle;
elsif pci_frame_l='0' then
c_state <= Ready;
else
c_state <= c_state;
end if;
when Ready=>
if pci_frame_l='1' and pci_irdy_l='1' then
c_state <= OprOver;
else
c_state <= DevTrdyHi;
end if;
when DevTrdyHi=>
if pci_frame_l='1' and pci_irdy_l='1' then
c_state <= OprOver;
else
c_state <= DevLoTrdyHi;
end if;
when DevLoTrdyHi=>
if pci_frame_l='1' and pci_irdy_l='1' then
c_state <= OprOver;
else
c_state <= DevTrdyLo;
end if;
when DevTrdyLo=>
if pci_frame_l='1' and pci_irdy_l='1' then
c_state <= OprOver;
elsif pci_frame_l='1' and pci_irdy_l='0' and trdy_l='0' then
c_state <= OprOver;
else
c_state <= c_state;
end if;
when OprOver=>
c_state <= Idle;
when others=>
c_state <= Idle;
end case;
end if;
end process;
---下一步应列出每个状态所对应的并发事件，写出相关的进程。进程语句是一个并行语句，它定义进程被激活时将要执行的特定行为。例如，在Ready状态时，就要判断从主设备方发来的地址信息是否与从设备地址相同，因此要写出地址比较进程。
--- address_compare：process(pci_rst，pci_clk)，主要内容是对地址译码，判断地址是否在从设备空间，如果在此空间则可做下一步动作，否则不做其他动作。
---从以上分析过程可以得到整个设计思路如下：在时钟的上升沿采样FRAME#、地址和命令，如果FRAME#有效则译码地址和命令，如果总线命令为011x，并且总线上的地址在目标地址范围内，表明这是对本设备的存储器操作；或者总线命令为101x，且IDSEL信号有效，表明这是对本设备配置空间的操作。在这两种情况下，根据总线命令的最后一位确定是读操作还是写操作，有效DEVSEL#和TRDY#信号，开始数据传输；并在传输过程中采样FRAME#和IRDY#信号，确认最后一个数据周期，无效DEVSEL#和TRDY#信号，结束数据传输。
--- 通过以上设计，在MAX+PLUSII环境下的其中一组模拟结果如图2所示。

结束语
本文给出了在PCI总线上利用FPGA技术设计PCI总线接口的设计方案。利用这项技术可以将自己的的算法技术和一些软件做成硬件，固化到卡上，这样既提高了运行速度，也可以保护知识产权。