双口RAM在PCI总线与AVR接口设计中的应用

摘要：为了提高PCI总线与AVR单片机之间的数据传输速度，利用双口RAM通过共享的方式实现PCI总线与AVR单片机之间的高速数据交换。利用有限状态机方法将PCI接口芯片局部端逻辑转换为双口RAM读写控制信号和地址数据信号，并通过仿真工具Modelsim Se对接口电路进行了验证，得出的仿真波形符合要求；利用乒乓操作方法实现PCI接口芯片和AVR单片机交替读／写数据存储区，有效提高了PCI总线与AVR单片机之间的数据传输速度。实践证明该设计方法是解决高低速设备的传输瓶颈问题的有效途径。
关键词：双口RAM；AVR；CPLD；状态机；乒乓操作

    由于PCI总线工作在频率33 MHz，AVR单片机工作在16 MHz，它们之间时钟不同步，要进行有效通信，必须在它们中间设置数据缓冲区，作为双方交换数据的单元。双口RAM正好解决了这个问题，它既作为PCI总线的局部空间又作为AVR单片机的外部扩充存储器，通过交替读／写达到交换数据的目的。下面以PLX公司的PCI总线接口芯片PCI9052和IDT公司的双口RAMIDT7006为例，介绍实现数据交换的方法。

1 PCI9052和IDT7006
1．1 PCI9052简介
    PCI9052是PLX公司为扩展适配板卡推出的低价位PCI总线目标接口芯片，低功耗，符合PCI V2．1规范，它的本地总线(Local Bus)可以通过编程设置为8／16／32位的复用或非复用总线。其主要性能特点如下：
    (1)异步操作。PCI9052的Local Bus与PCI总线的时钟相互独立运行，两总线的异步运行方便了高、低速设备的兼容。Local Bus的时钟频率范围为0～40 MHz，TTL电平；PCI的时钟频率范围0～33MHz。
    (2)可编程的局部总线配置。PCI9052支持8位、16位或32位Local Bus，它们是复用或非复用。PCI9052有4个字节允许信号(LBE[3：0]#)，26条地址线(LA[27：2])和32位、16位、8位数据线(LAD[31：0])。
    (3)直接从(目标)数据传送模式。PCI9052具有双向FIFO，可用于零等待状态突发操作，支持从PCI总线到Local Bus的存储器映射空间的突发传送和I／O访问。Local Bus能被设置成突发或持续单周期。
    (4)4个局部片选。PCI9052提供4个片选，每个片选的基地址和范围被E2PROM或主机编程成唯一的。
    (5)5个局部地址空间。PCI9052提供5个局部地址空间，每个局部地址空间的基地址和范围可以被E2PROM或主机编程成惟一的。
1．2 IDT7006简介
    IDT7006是美国IDT公司开发研制的高速16K×8 B双口静态RAM。该双口RAM提供两个独立的具有控制、地址和I／O引脚的端口。其主要性能特点如下：可同时访问双端口同一存储器空间；高速存储访问，访问速度最高可达到15 ns；低功耗运行；双片选，允许不需要外部逻辑的深度扩展；使用级联和主从选择引脚可以扩展IDT7006的数据总线宽度到16位或更宽；具有硬件仲裁方式、中断仲裁方式和信号灯仲裁方式，来防止访问冲突。

2 PCI9052和IDT7006的时序转换
    为将PCI9052的局部信号逻辑转换为双口RAMIDT7006的读／写控制信号逻辑，采用有限状态机的方法来实现它们之间的逻辑转换。在可编程器件设计中，状态机的设计方法是应用最广泛的设计方法之一，它是一种简单、结构清晰、设计灵活的方法，易于建立、理解和维护，特别应用在具有大量状态转移和复杂时序控制的系统中，更显其优势。设计中用VerilogHDL描述的状态机来实现接口的时序转换。
2．1 硬件连接
    硬件上采用可编程逻辑器件MAXⅡ(EPM240)来实现PCI9052和IDT7006的接口电路，PCI9052采取非复用、8 b局部总线宽度和单周期读／写方式，信号连接关系如图1所示。

2．2 有限状态机
    PCI9052局部总线有4个基本的状态：空闲状态、地址状态、数据／等待状态和恢复状态。一旦局部总线的主设备拥有总线并需要开始一个总线访问，则进入地址状态，有效，此时一个有效的地址出现在地址／数据总线上；数据传输是在数据／等待状态进行的，或者内部等待产生器用来在此状态插入等待状态；在最后的数据／等待状态有效，用来申明最后的数据传输；在地址／数据复用的模式下，所有数据传输完毕后，总线会进入恢复状态；随后总线回到空闲状态，等待下一次的总线访问。
    整个状态机分为外状态机和内状态机两个大的部分，外状态机识别PCI9052的读周期和写周期，并转移到相应的内部状态机，然后内部状态机再进行读／写的内部状态转移，通过不同的状态输出不同的双口RAM读／写控制等信号，达到时序转换的目的。外状态机状态转移图如图2所示。

    内状态机中写状态机有5个状态：S0，写空闲状态；S1，写开始；S2，写等待；S3，单周期写；S4，写结束。具体的状态转移图如图3所示。

    当系统复位后，状态机输出双口RAM的片选信号，输出使能，状态机处于空闲状态。
    写操作的状态机转移过程是：当状态机处于空闲状态时，在每次时钟的上升沿采样到有效和=1，并且如果双口RAM的片选信号有效，状态机进入写开始状态，输出和有效，并将9052的局部有效地址输出给双口RAM；当采样到有效时，状态机进入写等待状态，输出；当采样到且BUSYL=1、时，状态机进入单周期写状态，输出，将有效数据输出到双口RAM；当采样到无效，状态机进入写结束状态，输出，，；之后如果采样到有效就进入下一次的写操作循环，如果采样到无效且无效，状态机回到空闲状态。
    读状态机也有5个状态：S0，读空闲状态；S1，读开始；S2，读等待；S3，单周期读；S4，读结束。具体的状态转移图如图4所示。

    读操作的状态机转移过程是：当状态机处于空闲状态时，在每次时钟的上升沿采样到有效和=0，并且双口RAM的片选信号有效的话，状态机进入读开始状态，输出和有效，并将9052的局部有效地址输出给双口RAM；当采样到有效时，状态机进入读等待状态，输出；当采样到且BUSYL=1，时，状态机进入单周期读状态，输出，将有效数据输出到PCI9052；当采样到无效，状态机进入读结束状态，输出，，；之后如果采样到有效就进入下一次的读操作循环，如果采样到无效且无效，状态机回到空闲状态。
2．3 仿真结果
    在ModelsimSE仿真平台下，实现了PCI9052读／写双口RAM的读／写过程，读操作仿真波形如图5所示，写操作仿真波形如图6所示。从仿真波形可以看出，该代码可以实现将PCI9052的读／写控制信号转换成双口RAM的读／写控制信号，完成时序的匹配。

3 双口RAM的读／写程序
    为了达到用低速模块处理高速数据流的效果，在双口RAM的程序处理上采用乒乓操作的技巧。乒乓操作的最大特点是通过“输入数据选择单元”和“输出数据选择单元”按节拍、相互配合的切换，将经过缓冲的数据流没有停顿地送到“数据流运算处理模块”进行运算与
处理。把乒乓操作模块当作一个整体，站在这个模块的两端看数据，输入数据流和输出数据流都是连续不断的，没有任何停顿，因此非常适合对数据流进行流水线式处理。所以乒乓操作常应用于流水线式算法，完成数据的无缝缓冲与处理。
    设计中将双口RAM分为A，B两个部分，各占8 KB空间。通过9052和AVR交替对两个存储器进行读／写操作到达交换数据的目的。在双口RAM的仲裁方式选择上选取中断和硬件仲裁结合的方式，中断仲裁在硬件电路设计上比较简单，只要将双口RAM两侧的INT引脚连接到AVR和PCI90 52的中断引脚上，软件设计上只要编写双口RAM操作程序和中断服务程序两部分。具体过程是：
    (1)数据下行(PCI9052写，AVR读)。在首次发起数据传输时，通过握手信号告诉AVR本次数据传输共多少个字节。然后发起本次数据传输，如果数据传输长度小于8 KB，9052向双口RAM的A区写入数据，并在数据全部写完之后对地址3FFFH(右端口信箱)执行一个写操作，这样引脚变为低电平，触发AVR的一个中断响应程序，该程序就是双口RAM读写程序中的读函数，该函数读取双口RAM A区中事先约定长度的数据，并在操作的最后对地址3FFFH(右端口信箱)执行一个读操作以恢复引脚为高电平，随后退出中断响应程序。
    如果数据传输长度大于8 KB，9052写完A区后，立即对地址3FFFH(右端口信箱)执行一个写操作，这样引脚变为低电平，触发AVR的中断响应程序，该程序读取全部A区的数据，然后对地址3FFFH(右端口信箱)进行一个读操作，使恢复为高电平，之后继续读取B区的数据；这时9052如果在B区完成了全部数据的写入，则AVR在B区读到约定长度的数据后结束本次数据传输；如果9052在B区没有写完全部数据，则它查询是否为高，如果为高则继续把剩下的数据写入A区；AVR在读完全部B区数据后进入暂停状态，直到接到再次中断信号继续读取A区数据；9052在A区的地址结束时继续触发中断使得AVR继续读取A区数据，A区没完接着读B区，这样循环下去，直到完成约定数据的全部传输。具体的流程如图7所示。

    (2)数据上行(PCI9052读，AVR写)。双口RAM读／写程序中的写函数会将数据写入双口RAM的A区，并在最后一步对左端口信箱3FFEH地址执行一个写操作，引脚变为低电平，该引脚连至PCI9052的局部中断引脚，通知9052读取写入的数据，9052在读取数据之后会对左端口信箱3FFEH地址执行一个读操作，这样引脚恢复为高电平，使之退出中断响应程序。整个数据传输程序流程和下行相似，具体的流程如图8所示。

4 结语
    高性能双口RAM可以有效解决上位机和下位机之间的复杂数据处理问题，实现时序的粘连；乒乓操作是一个常应用于数据流控制的处理技巧，是解决高速设备和低速设备交换数据的常用方法。实践证明本文的设计方法是解决高低速设备的传输瓶颈问题，提高PCI总线与AVR单片机之间的数据传输速度的有效途径。