应用PCI 9656的数据接收卡设计

【摘要】PCI 9656是PLX公司设计的一款高速PCI I/O芯片，可应用于66MHz、64bit PCI和CompactPCI总线。文章简述了PCI 9656的主要功能，介绍了一种应用PCI 9656的CompactPCI数据接收卡设计。设计中采用MAXII系列CPLD建立了PCI 9656与FIFO间的数据通道，可满足高速数据传输的要求。 
【关键字】PCI 9656；CompactPCI；数据接收卡

【Abstract】The PCI 9656，a high-speed I/O accelerator of PLX Technology,Inc，supports 66MHz、64bit PCI（and CompactPCI）bus operation。This paper describes its main functions and introduces a design of data-receiving card with PCI 9656，based on CompactPCI bus。A bridge is set up with MAXII CPLD between PCI 9656 and FIFO interface，providing the high-speed data-receiving capability。

【Key words】PCI 9656；CompactPCI； data-receiving card

 

数据传输是数字信号处理过程中的重要一环，其效率影响整个数据处理系统的性能。数据传输往往采用行业中标准化的总线技术，使数字系统的设计可靠、方便、易于升级。PCI作为一种成熟的总线标准，应用于许多系统的数据传输过程。针对工业环境建立的CompactPCI标准结合了PCI的电气特性与优良的机械特性，在工业领域的应用更为广泛。在设计基于PCI或CompactPCI总线的数字设备时，采用各公司提供的通用PCI I/O芯片或IP核，可简化复杂的PCI接口设计，加快产品的研发和升级。PCI 9656是PLX公司为高速PCI（CompactPCI）总线应用而设计的通用I/O芯片，适用于66MHz、64bit的PCI（CompactPCI）总线，提供了528MB/s（PCI总线）和264MB/s（局部总线）的突发传输速度，能够满足大多高速数字系统的性能要求。

1 PCI 9656功能简述

PCI 9656支持66MHz、64bit的PCI R2.2规范，提供了兼容PICMG 2.1 R2.0规范的CompactPCI Hot Swap接口，其局部总线达到66MHz、32bit（支持0~66MHz、8/16bit），可为PCI（CompactPCI）适配器及嵌入式系统设计提供高性能的总线接口。PCI 9656的配置寄存器与PCI 9054、PCI9056兼容，也方便了原有设计的移植。

PCI 9656具有6条独立的数据通道，用于Direct Master、Direct Slave以及DMA功能模式下的数据传输，其深FIFO设计有效提升了总线的突发传输性能。

1 Direct Master模式。用于局部总线到PCI（CompactPCI）的数据传输，16 QWords（128byte）和32 QWords（256byte）的FIFO各应用于数据的读、写通道。

2 Direct Slave模式。用于PCI（CompactPCI）到局部总线的数据传输，16 QWords（128byte）和32 QWords（256byte）的FIFO各应用于数据的读、写通道。

3 DMA模式。PCI 9656提供了两条DMA通道（Channel 0、Channel 1），使用了两独立的32 QWords（256byte）双向FIFO。两条DMA通道可同时传输数据，通过PCI 9656的MARBR寄存器可配置其优先级关系。PCI 9656的DMA方式有常规的块模式（Block mode）和集散模式（Scatter/Gather mode），而且支持以DREQ#、DASK#信号请求、应答的命令模式（Demand mode），可应用于通信领域中的实时数据传输。

在局部总线端，PCI 9656简化了数据的传输控制逻辑，与ISA总线类似，方便了传输控制的设计实现。PCI 9656的局部总线有三种应用模式，可以适用不同的嵌入式处理器。

1 M模式。支持Motorola 32bit的处理器，提供了可与MPC850、MPC860 PowerQCICC 直接相连的接口。

2 C模式。适合大多数处理器的通用模式，在设计中多采用此模式。

3 J模式。与C模式类似，但其地址线与数据线复用。

2 数据接收卡设计

PCI 9656片内资源丰富，功能多样，采用PCI 9656为接口芯片，可方便地进行PCI（Compact）适配器的设计。而在PCI 9656的局部总线端，往往不需要实现其全部逻辑功能，可依据需要选取配置，更进一步简化设计。

图1是应用PCI 9656的CompactPCI数据记录卡的设计框图，此数据接收卡应用于一款合成孔径雷达的数据记录器中，数据源为34bit的差分信号，32bit数据，1bit采样时钟，1bit数据有效标志位。图1中：时钟驱动ICS553向PCI 9656、逻辑控制模块和FIFO提供同步时钟信号；初始化配置芯片采用Microchip 93LC56B，PCI 9000系列提供3线的E²PROM串行接口，可在系统上电时初始化内部配置寄存器；差分到单端信号的转换经由Ti公司的LVDT386和390完成；FIFO采用了IDT公司所设计的高速、低功耗的72T36135M，数据容量为512K×36bit，使用易于级联的First Word Follow Through工作模式；逻辑控制部分采用Altera的MAXII EPM1270，实现FIFO到PCI 9656局部总线间的数据传输控制。

2.1 PCI9656的设计应用

在CompactPCI端，PCI 9656提供了66MHz、64bit总线应用所需信号，可依据CompactPCI规范连接，通过简单的外部电路，可实现Hot Swap功能。

在局部总线端，采用了PCI 9656的C模式。在C模式下，PCI 9656的局部总线可配置实现三种数据传输逻辑。（1）Single cycle mode。每次传输1个数据（8/16/32bit），默认的传输模式。（2）Burst-4 mode。每次4个数据，应用Intel i960与IBM PPC401处理器时的推荐模式。（3）Continuous burst mode。多数据的连续突发传输模式，提供了最大的数据吞吐量。在传输过程中，从设备（Slave）可通过Bterm#信号停止传输过程。模式2与模式3只选其一，模式1始终可用。在数据接收卡中，采用了连续突发（Continuous burst）模式，可以有效的利用局部总线带宽。

分析接收卡的设计：局部总线端无处理器，PCI 9656在此端为主设备（Master），始终占用总线，负责逻辑控制的CPLD为从设备（Slave），始终响应PCI 9656。数据传输过程只利用了PCI 9656的Direct Slave和DMA模式，，而且不需DMA的命令模式，运行过程中数据通过FIFO单向传输，不需解码地址信号，对CPLD的控制可通过向其写命令码完成。因此，可以对PCI 9656的许多信号简化处理，只需实现如下信号的时序要求：

LD[31:0]，32bits数据信号。

ADS#，总线操作的开始标志。

Blast#，突发传输的结束标志。

LW/R#，写/读信号。

Wait#，主设备暂停传输信号，信号无效标志主设备正常。

Ready#，从设备操作完成信号，信号有效标志从设备正常。

EOT#，数据传输异常中止信号，用于FIFO溢出或空时中断数据传输。

Lint#，中断信号输入，用于引起CompactPCI总线端的中断。

LRST#，局部总线端重置。

信号经简化后，在正常的读写操作中，只需要处理ADS#、Blast#、LW/R#、Wait#、Ready#与数据的逻辑关系，Single cycle可认为是Continuous burst的特例，从而将两种模式下的逻辑时序统一处理。正常操作中，ADS#、Blast#、Wait#、Ready#需满足的逻辑关系如图2所示：

图2中，ADS#、Blast#、Wait#信号由PCI 9656驱动，LW/R#（图2中未标出）也由PCI 9656驱动，在整个过程中处于低或高，标志PCI 9656对总线的读或写操作。Ready#由CPLD驱动，Data为双向信号。CPLD空闲状态时监测ADS#信号，一旦ADS#有效，则根据LW/R#转入读或写操作。读操作中，CPLD将FIFO数据读出，同时将Ready#置为有效状态，需监测Wait#，Wait#无效时，才可继续读取下一数据；写操作中，CPLD需将Ready#置为有效状态，监测Wait#，Wait#无效时，CPLD才可完成总线上数据的写入；当CPLD检测到Blast#、Wait# 、Ready#均为有效状态时，便完成最后一个数据的传输操作，转至空闲状态。

实现上述的数据传输逻辑，再加上适当的异常情况和测试转换控制，便可设计CPLD的逻辑控制模块。

2.2 MAXII EPM1270应用

MAXII系列是Altera公司的新型架构CPLD，与传统架构的CPLD相比，MAXII的功耗和成本大幅降低，资源密度和性能却显著提升，非常适用于接口间的控制协议转换。设计中采用了MAXII的EPM1270型号CPLD，其设计结构如图3所示。MAXII EPM1270内部主要分为逻辑控制、测试、FIFO三个模块：

1 FIFO采用Altera提供的IP核实现，容量可根据资源利用情况调节，使用FWFT（First Word Follow Through）模式，为CPLD提供与外部FIFO简便的接口。

2 测试模块产生测试数据，控制数据通道在真实数据源与测试数据源间切换，在测试接收卡时使用。

3 逻辑控制模块内有异常和测试控制、状态转换控制两部分，通过一个8bit寄存器进行通信。（1）寄存器控制CPLD的测试模块、状态选择，同时记录FIFO的状态变化。（2）异常和测试控制部分依据状态寄存器内容控制测试模块，监测FIFO的溢出、半满、空等状态，产生Lint#信号或通过控制寄存器传递到状态转换控制部分，使之有效EOT#，中断数据传输。（3）状态转换控制部分执行局部总线的数据读写逻辑，建立了四个状态：S0，空闲状态；S1，数据读状态；S2，寄存器读状态；S3，命令写状态。S0状态下根据LW/R#信号和寄存器内容确定向S1、S2、S3状态的转换。S1状态下读取FIFO数据，根据FIFO状态产生异常中止信号EOT#。S2状态下读取8bit寄存器内容。S3状态下向8bit寄存器写入命令码来改写和重置其相关比特位，从而控制CPLD的测试模块，切换S1、S2状态，清空FIFO。

通过上述设计模块，MAXII CPLD便可在PCI 9656与IDT 72T36135M之间建立一个简捷的数据传输通道。

3 结束语

PCI 9656采用了PLX公司业界领先的数据通道架构技术，其丰富的功能为高速的PCI（CompactPCI）总线应用提供了简捷的I/O设计途径。文章介绍了采用PCI 9656作为PCI I/O设计的一款应用于66Mhz、64bit CompactPCI总线系统的数据接收卡。本文作者创新点： 1 将PCI 9656应用于66Mhz、64bit CompactPCI总线系统，满足高速数据传输的要求。2 采用CPLD内建FIFO的IP核实现FIFO与PCI 9656的接口连接，优化了CPLD的转换逻辑。

 

参考文献：

[1] PLX Technology, Inc，PCI 9656BA Data Book Version1.1，2003.10。

[2] Altera Corporation，MAX II Device Handbook，2005.8。

[3] Integrated Device Technology, Inc，IDT72T36135M Data Sheet，2005.9。

[4]沈羽,齐伟民,张毅,实时高速数据采集与存储系统的一种实现方法,微计算机信息,2006,1-1:83-85。