基于EP2SGX系列FPGA的PCI接口設(shè)計(jì)

0 引 言
??? 在現(xiàn)代雷達(dá)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和其他應(yīng)用系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的ISA、EISA等總線已逐漸無法適應(yīng)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆６鳳CI局部總線以其高性能、低成本、使用方便和適應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn)成為大多數(shù)系統(tǒng)的主流總線。其中常用的33 MHz、32位的PCI總線尖峰傳輸速率為132 MB／s。PCI總線接口相對(duì)其他總線接口來說是比較復(fù)雜的，它有著嚴(yán)格的同步時(shí)序要求，且為了實(shí)現(xiàn)即插即用和自動(dòng)配置，PCI總線的配置空間有許多配置寄存器需要設(shè)置。本文在簡要介紹PCI總線及其特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，介紹了如何利用FPGA設(shè)計(jì)PCI總線的接口電路，并給出了設(shè)計(jì)PCI總線接口時(shí)應(yīng)注意的一些問題。

1 PCI總線與數(shù)據(jù)傳輸規(guī)范
??? PCI總線信號(hào)可劃分為如圖1所示的幾種類型。其中64位總線擴(kuò)展信號(hào)、資源鎖存信號(hào)和邊界掃描信號(hào)是可選的。

??? PCI總線上的數(shù)據(jù)傳送是基于猝發(fā)傳送的機(jī)制，一個(gè)猝發(fā)傳送包括一個(gè)地址相和一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)相。基本的PCI傳輸由FRAME#、IRDY#和TRDY#信號(hào)控制。當(dāng)數(shù)據(jù)有效時(shí)，數(shù)據(jù)資源需要無條件設(shè)置xRDY#信號(hào)(寫操作為IRDY#，讀操作為TRDY#)。接收方可在適當(dāng)時(shí)間發(fā)出它的xRDY#信號(hào)。FRAME#信號(hào)有效后的第一個(gè)時(shí)鐘上升沿是地址周期的開始，此時(shí)傳送地址信息和總線命令。下一個(gè)時(shí)鐘上升沿開始一個(gè)(或多個(gè))數(shù)據(jù)周期，當(dāng)IRDY#和TRDY#同時(shí)有效時(shí)，數(shù)據(jù)在主、從設(shè)備之間傳送。在此期間，可由主設(shè)備或從設(shè)備分別利用IRDY#和TRDY#的無效而插入等待周期。PCI總線傳輸包含讀、寫和中止3個(gè)內(nèi)容，圖2和圖3所示的時(shí)序圖顯示了PCI總線讀、寫操作的傳輸過程。

2 設(shè)計(jì)考慮及芯片選擇
??? 目前PCI接口主要有2種實(shí)現(xiàn)方式：使用專用接口芯片和采用可編程器件。專用芯片如PLX公司的9050等，專用芯片可以實(shí)現(xiàn)完整的PCI主控模塊和目標(biāo)模塊接口功能，將復(fù)雜的PCI總線接口轉(zhuǎn)換為相對(duì)簡單的用戶接口。缺點(diǎn)是缺少靈活性，用戶可能只用到了部分的PCI接口功能，造成了一定的邏輯資源浪費(fèi)。采用FPGA的優(yōu)點(diǎn)在于其靈活的可編程性，首先PCI接口可以依據(jù)插卡功能進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)，而不必實(shí)現(xiàn)所有的PCI功能，可以節(jié)約系統(tǒng)的邏輯資源。其次可以將PCI插卡上的其他用戶邏輯與PCI接口邏輯集成在一個(gè)芯片上，實(shí)現(xiàn)緊湊設(shè)計(jì)。再者當(dāng)系統(tǒng)升級(jí)時(shí)，只需對(duì)可編程器件重新進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)，而無需更新PCB版圖。

?? PCI總線是同步總線，時(shí)序要求比較嚴(yán)格，比如：Tval最大為11 ns，Tprop最大為10 ns，Tsu最小為7 ns，Th為0 ns，此外，PCI總線接口還需要一定數(shù)量的宏單元和I／0引腳。在本設(shè)計(jì)中，為了同時(shí)實(shí)現(xiàn)光纖數(shù)據(jù)傳輸?shù)绕渌倪壿嫻δ埽x用了ALTERA公司StratixIIGX系列中型號(hào)為EP2SGX90EF1152的一款FPGA芯片。該芯片主要性能如下：片內(nèi)90 960個(gè)邏輯單元；4．5 Mb的RAM資源；支持12路高速串行收發(fā)器通道，每路傳輸速率高達(dá)6．375 Gb／s；接口電平支持：LVTTL、LVDS、LVPECL。3．3－V PCI等眾多I／O標(biāo)準(zhǔn)。EP2SGX系列芯片內(nèi)部有專門支持PCI電氣特性的區(qū)域(Bank)，非常適合于PCI接口的開發(fā)。

3 PCI接口設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
??? 本設(shè)計(jì)利用ALTERA公司的QuartusIl7．2軟件和硬件描述語言，采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行PCI接口的邏輯設(shè)計(jì)，并利用QuartusII軟件對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了功能和時(shí)序仿真。
??? 設(shè)計(jì)的具體流程如下：首先從總體上考慮：PCI接口作為一個(gè)功能模塊，嵌入在FPGA內(nèi)部，內(nèi)側(cè)面向用戶邏輯，外側(cè)通過芯片的I／O管腳與PCI總線相連。在用戶端，需要把復(fù)雜的PCI總線命令轉(zhuǎn)換為便于用戶使用的類似ISA總線的命令格式，把地址線與數(shù)據(jù)線分離，并產(chǎn)生單獨(dú)的讀寫控制信號(hào)。其次，根據(jù)總體要求，進(jìn)行頂層設(shè)計(jì)和內(nèi)部模塊劃分。最后，對(duì)具體的功能模塊用軟件編程實(shí)現(xiàn)并進(jìn)行功能仿真。
??? 本設(shè)計(jì)中PCI接口的總體框圖如圖4所示。由圖4可知，PCI接口主要由地址／命令鎖存和譯碼、內(nèi)部通信、外部通信和總線狀態(tài)機(jī)、中斷處理等模塊組成。

3．1 地址／命令鎖存和譯碼
??? 由于PCI總線為地址和數(shù)據(jù)復(fù)用型總線，在使用中需將地址和數(shù)據(jù)進(jìn)行分離，首先要對(duì)PCI總線上的32位地址／數(shù)據(jù)總線鎖存。譯碼是對(duì)來自主機(jī)的PCI總線命令信號(hào)CBE[3．．0]和IDSEL信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，并相應(yīng)地向內(nèi)部邏輯發(fā)出配置空間讀寫操作、I／O讀寫操作、存儲(chǔ)器讀寫操作等信號(hào)。
3．2 外部通信
??? 外部通信接口主要完成對(duì)PCI總線的應(yīng)答，并發(fā)出相應(yīng)的信號(hào)。對(duì)于瀆寫操作，接口發(fā)出DEVSEL#信號(hào)響應(yīng)PCI的FRAME#信號(hào)，完成握手。PCI協(xié)議規(guī)定了在交易期間對(duì)地址／數(shù)據(jù)總線和命令／字節(jié)使能總線進(jìn)行奇偶校驗(yàn)。讀交易期間，接口被要求驅(qū)動(dòng)PAR信號(hào)線；寫交易期間，目標(biāo)將計(jì)算AD[31．．0]和CBE[3．．0]上的奇偶性，并把PERR信號(hào)送給PCI。
3．3 內(nèi)部通信
??? 內(nèi)部通信接口主要產(chǎn)，豐面向用戶端，便于用戶使用的一信號(hào)，包括復(fù)位信號(hào)、分離的讀和寫信號(hào)、地址總線、32位的數(shù)據(jù)讀寫總線。
3．4 總線狀態(tài)機(jī)
??? 該模塊足本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，其主要功能是根據(jù)PCI協(xié)議產(chǎn)生總時(shí)序來控制總線交易。總線狀態(tài)機(jī)包含的狀態(tài)主要有總線空閑狀態(tài)、總線停靠狀態(tài)、主設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)、從設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)、配置空間讀寫狀態(tài)、目標(biāo)I／O空間讀寫狀態(tài)、主設(shè)備讀寫狀態(tài)、總線翻轉(zhuǎn)狀態(tài)、數(shù)據(jù)傳輸終止?fàn)顟B(tài)等。以上各狀態(tài)主要依據(jù)輸入的PCIRST、FRAME#、IDSEL、CBE [3．．0 ]、GNT#、IRDY#、TRDY#、STOP#等信號(hào)變化進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。
3．5 中斷處理
??? 本模塊主要實(shí)現(xiàn)各種外部中斷源的輸入處理、中斷允許寄存器和中斷狀態(tài)寄存器的控制和管理、INTA#信號(hào)的輸出處理等。

4 工具軟件在PCI總線調(diào)試中的使用
??? 在板卡的調(diào)試過程中使用了WinDriver軟件，該軟件是美國Jungo公司出品用于編寫驅(qū)動(dòng)程序的一種工具，是主要針對(duì)PCI、ISA、USB的一種開發(fā)工具。該軟件對(duì)于調(diào)試PCI板卡很方便。用戶不需要復(fù)雜的編程就能控制PCI沒備進(jìn)行讀寫操作，從而在硬件剛設(shè)計(jì)調(diào)試時(shí)，就能測(cè)試板卡性能的好壞，可測(cè)試的功能具體包括VenderID、Device ID的識(shí)別、基地址的分配、中斷的分配、I／O端口的讀寫測(cè)試等。

另外，在調(diào)試過程中還利用了Quartus軟件自帶的SignalTap嵌入式邏輯分析儀軟件。該工具軟件只需要通過編程電纜將JTAG口與調(diào)試計(jì)算機(jī)連接后，便可在線采集各種信號(hào)波形，驗(yàn)證邏輯設(shè)計(jì)是否正確。

?

5 PCI接口板卡設(shè)計(jì)體會(huì)
??? 設(shè)計(jì)的CPCI板卡經(jīng)過多次試驗(yàn)和測(cè)試，驗(yàn)證了配置空間訪問、I／O空間訪問、外部中斷等功能均正確。目前已經(jīng)成功應(yīng)用于產(chǎn)品中，下面簡要介紹設(shè)計(jì)開發(fā)過程中的一些體會(huì)。
??? (1)PCI接口在板卡設(shè)計(jì)中需注意的問題
??? ①板卡上的一些信號(hào)都必須在靠近連接器J1的地方串行放置阻值為10 Ω的終端電阻。必須端接電阻的信號(hào)有：AD[31：0]、C／BE[3：0]、PAR、FRAME#、IRDY#、TRDY#、STOP#、LOCK#、IDSEL#、DEVSEL#、PERR#、SERR#、RST#、INTA#。電阻應(yīng)放置在距PCI信號(hào)連接器引腳15．2 mm以內(nèi)，以減少信號(hào)經(jīng)過板卡端接后對(duì)背板的影響。不需要使用終端電阻的信號(hào)有：CLK，REQ#和GNT#。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，必須按以上要求將信號(hào)進(jìn)行端接處理，否則PCI總線會(huì)工作不正常。
??? ②從連接器J1到端接電阻的信號(hào)線的長度不應(yīng)超過15．2 mm。
??? ③從連接器兒經(jīng)端接電阻到FPGA的信號(hào)線的長度不應(yīng)超過38．1 mm。
??? (2)配置空間的簡化設(shè)計(jì)
??? PCI總線的配置空間為2,56個(gè)字節(jié)。在設(shè)計(jì)中，只需對(duì)用到的參數(shù)進(jìn)行配置。一般對(duì)VenderID、DeviceID、CommandStatus、RevisicmID、ClassCode、HeaderType、InterruptLine及InterruptPin等寄存器進(jìn)行配置即可滿足大多場(chǎng)合下的使用要求。
??? (3)總線命令的簡化設(shè)計(jì)
??? PCI規(guī)范中規(guī)定了16種總線命令，設(shè)計(jì)者只需塒其中有用的命令進(jìn)行響應(yīng)即可。總線命令的簡化可減少總線對(duì)話的種類，從而可減少硬件沒計(jì)的復(fù)雜性。一般來說，只要有配置空間讀寫、I／O空間讀寫及存儲(chǔ)器的讀寫，便可滿足一般的使用。

6 結(jié)束語
??? 本文介紹了在StratixⅡGX系列FPGA上實(shí)現(xiàn)PCI接口的設(shè)計(jì)技術(shù)，具有較強(qiáng)的靈活性，可以方便地移植到其他可編程器件上，有一定的通用性。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)總線在PCI總線基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展為更高帶寬和頻率的PCI-X總線和擁有2．5G傳輸速率的PCI-Express總線。從當(dāng)前發(fā)展趨勢(shì)來看，PCI-Express總線正得到越來越廣泛的應(yīng)用，必將成為下一代的總線標(biāo)準(zhǔn)。