基于EP2SGX系列FPGA的PCI接口设计

0 引 言
    在现代雷达数据处理系统和其他应用系统中，传统的ISA、EISA等总线已逐渐无法适应高速数据传输的要求。而PCI局部总线以其高性能、低成本、使用方便和适应性等优点成为大多数系统的主流总线。其中常用的33 MHz、32位的PCI总线尖峰传输速率为132 MB／s。PCI总线接口相对其他总线接口来说是比较复杂的，它有着严格的同步时序要求，且为了实现即插即用和自动配置，PCI总线的配置空间有许多配置寄存器需要设置。本文在简要介绍PCI总线及其特点的基础上，介绍了如何利用FPGA设计PCI总线的接口电路，并给出了设计PCI总线接口时应注意的一些问题。

1 PCI总线与数据传输规范
    PCI总线信号可划分为如图1所示的几种类型。其中64位总线扩展信号、资源锁存信号和边界扫描信号是可选的。

    PCI总线上的数据传送是基于猝发传送的机制，一个猝发传送包括一个地址相和一个或多个数据相。基本的PCI传输由FRAME#、IRDY#和TRDY#信号控制。当数据有效时，数据资源需要无条件设置xRDY#信号(写操作为IRDY#，读操作为TRDY#)。接收方可在适当时间发出它的xRDY#信号。FRAME#信号有效后的第一个时钟上升沿是地址周期的开始，此时传送地址信息和总线命令。下一个时钟上升沿开始一个(或多个)数据周期，当IRDY#和TRDY#同时有效时，数据在主、从设备之间传送。在此期间，可由主设备或从设备分别利用IRDY#和TRDY#的无效而插入等待周期。PCI总线传输包含读、写和中止3个内容，图2和图3所示的时序图显示了PCI总线读、写操作的传输过程。

2 设计考虑及芯片选择
    目前PCI接口主要有2种实现方式：使用专用接口芯片和采用可编程器件。专用芯片如PLX公司的9050等，专用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。缺点是缺少灵活性，用户可能只用到了部分的PCI接口功能，造成了一定的逻辑资源浪费。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设计，而不必实现所有的PCI功能，可以节约系统的逻辑资源。其次可以将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，实现紧凑设计。再者当系统升级时，只需对可编程器件重新进行逻辑设计，而无需更新PCB版图。
    PCI总线是同步总线，时序要求比较严格，比如：Tval最大为11 ns，Tprop最大为10 ns，Tsu最小为7 ns，Th为0 ns，此外，PCI总线接口还需要一定数量的宏单元和I／0引脚。在本设计中，为了同时实现光纤数据传输等其他的逻辑功能，选用了ALTERA公司StratixIIGX系列中型号为EP2SGX90EF1152的一款FPGA芯片。该芯片主要性能如下：片内90 960个逻辑单元；4．5 Mb的RAM资源；支持12路高速串行收发器通道，每路传输速率高达6．375 Gb／s；接口电平支持：LVTTL、LVDS、LVPECL。3．3－V PCI等众多I／O标准。EP2SGX系列芯片内部有专门支持PCI电气特性的区域(Bank)，非常适合于PCI接口的开发。

3 PCI接口设计实现
    本设计利用ALTERA公司的QuartusIl7．2软件和硬件描述语言，采用自顶向下的设计方法进行PCI接口的逻辑设计，并利用QuartusII软件对设计进行了功能和时序仿真。
    设计的具体流程如下：首先从总体上考虑：PCI接口作为一个功能模块，嵌入在FPGA内部，内侧面向用户逻辑，外侧通过芯片的I／O管脚与PCI总线相连。在用户端，需要把复杂的PCI总线命令转换为便于用户使用的类似ISA总线的命令格式，把地址线与数据线分离，并产生单独的读写控制信号。其次，根据总体要求，进行顶层设计和内部模块划分。最后，对具体的功能模块用软件编程实现并进行功能仿真。
    本设计中PCI接口的总体框图如图4所示。由图4可知，PCI接口主要由地址／命令锁存和译码、内部通信、外部通信和总线状态机、中断处理等模块组成。

3．1 地址／命令锁存和译码
    由于PCI总线为地址和数据复用型总线，在使用中需将地址和数据进行分离，首先要对PCI总线上的32位地址／数据总线锁存。译码是对来自主机的PCI总线命令信号CBE[3．．0]和IDSEL信号进行识别，并相应地向内部逻辑发出配置空间读写操作、I／O读写操作、存储器读写操作等信号。
3．2 外部通信
    外部通信接口主要完成对PCI总线的应答，并发出相应的信号。对于渎写操作，接口发出DEVSEL#信号响应PCI的FRAME#信号，完成握手。PCI协议规定了在交易期间对地址／数据总线和命令／字节使能总线进行奇偶校验。读交易期间，接口被要求驱动PAR信号线；写交易期间，目标将计算AD[31．．0]和CBE[3．．0]上的奇偶性，并把PERR信号送给PCI。
3．3 内部通信
    内部通信接口主要产，丰面向用户端，便于用户使用的一信号，包括复位信号、分离的读和写信号、地址总线、32位的数据读写总线。
3．4 总线状态机
    该模块足本设计的关键部分，其主要功能是根据PCI协议产生总时序来控制总线交易。总线状态机包含的状态主要有总线空闲状态、总线停靠状态、主设备数据传输状态、从设备数据传输状态、配置空间读写状态、目标I／O空间读写状态、主设备读写状态、总线翻转状态、数据传输终止状态等。以上各状态主要依据输入的PCIRST、FRAME#、IDSEL、CBE [3．．0 ]、GNT#、IRDY#、TRDY#、STOP#等信号变化进行状态转换。
3．5 中断处理
    本模块主要实现各种外部中断源的输入处理、中断允许寄存器和中断状态寄存器的控制和管理、INTA#信号的输出处理等。

4 工具软件在PCI总线调试中的使用
    在板卡的调试过程中使用了WinDriver软件，该软件是美国Jungo公司出品用于编写驱动程序的一种工具，是主要针对PCI、ISA、USB的一种开发工具。该软件对于调试PCI板卡很方便。用户不需要复杂的编程就能控制PCI没备进行读写操作，从而在硬件刚设计调试时，就能测试板卡性能的好坏，可测试的功能具体包括VenderID、Device ID的识别、基地址的分配、中断的分配、I／O端口的读写测试等。
    另外，在调试过程中还利用了Quartus软件自带的SignalTap嵌入式逻辑分析仪软件。该工具软件只需要通过编程电缆将JTAG口与调试计算机连接后，便可在线采集各种信号波形，验证逻辑设计是否正确。

5 PCI接口板卡设计体会
    设计的CPCI板卡经过多次试验和测试，验证了配置空间访问、I／O空间访问、外部中断等功能均正确。目前已经成功应用于产品中，下面简要介绍设计开发过程中的一些体会。
    (1)PCI接口在板卡设计中需注意的问题
    ①板卡上的一些信号都必须在靠近连接器J1的地方串行放置阻值为10 Ω的终端电阻。必须端接电阻的信号有：AD[31：0]、C／BE[3：0]、PAR、FRAME#、IRDY#、TRDY#、STOP#、LOCK#、IDSEL#、DEVSEL#、PERR#、SERR#、RST#、INTA#。电阻应放置在距PCI信号连接器引脚15．2 mm以内，以减少信号经过板卡端接后对背板的影响。不需要使用终端电阻的信号有：CLK，REQ#和GNT#。在实际设计中，必须按以上要求将信号进行端接处理，否则PCI总线会工作不正常。
    ②从连接器J1到端接电阻的信号线的长度不应超过15．2 mm。
    ③从连接器儿经端接电阻到FPGA的信号线的长度不应超过38．1 mm。
    (2)配置空间的简化设计
    PCI总线的配置空间为2,56个字节。在设计中，只需对用到的参数进行配置。一般对VenderID、DeviceID、CommandStatus、RevisicmID、ClassCode、HeaderType、InterruptLine及InterruptPin等寄存器进行配置即可满足大多场合下的使用要求。
    (3)总线命令的简化设计
    PCI规范中规定了16种总线命令，设计者只需埘其中有用的命令进行响应即可。总线命令的简化可减少总线对话的种类，从而可减少硬件没计的复杂性。一般来说，只要有配置空间读写、I／O空间读写及存储器的读写，便可满足一般的使用。

6 结束语
    本文介绍了在StratixⅡGX系列FPGA上实现PCI接口的设计技术，具有较强的灵活性，可以方便地移植到其他可编程器件上，有一定的通用性。随着计算机技术的不断发展，计算机总线在PCI总线基础上逐渐发展为更高带宽和频率的PCI-X总线和拥有2．5G传输速率的PCI-Express总线。从当前发展趋势来看，PCI-Express总线正得到越来越广泛的应用，必将成为下一代的总线标准。