基于FPGA的PCI總線(xiàn)串口卡設計

1.1.1 PCI空間配置模塊
　PCI協(xié)議支持3種地址空間：I/O空間、內存空間和配置空間。配置空間是PCI所特有的一種空間，其大小為256 B，前64 B是必需的，記錄了PCI串口設備的基本信息。PCI設備的一些主要的信息如下：
　(1) VendorID、DeviceID:分別表示設備的生產(chǎn)廠(chǎng)商和設備編號。
　(2) Command：命令寄存器，包含設備控制位，包括允許存儲器讀寫(xiě)響應等。
　(3) Status：狀態(tài)寄存器，記錄PCI總線(xiàn)的相關(guān)事件信息。
　(4) Base Adress Register：基地址寄存器，指示此PCI設備按I/O方式還是按內存方式進(jìn)行讀寫(xiě)以及需要的地址空間大小。
　(5) Interrupt Line、Interrupt Pin：為設備使用的中斷號和中斷引腳。
1.1.2 偶校驗模塊
　PCI總線(xiàn)的偶校驗用于檢驗數據傳輸是否正確。在PCI總線(xiàn)上，利用偶校驗模塊檢查每次傳輸中主設備是否正確地尋址到目標設備，以及它們之間的數據是否正確地傳輸。
1.1.3 地址譯碼和命令譯碼模塊
　地址譯碼模塊主要用于檢測地址與此PCI串口設備的基地址是否匹配，如果匹配，則PCI串口設備響應當前的總線(xiàn)操作。
　命令譯碼模塊表示PCI串口設備響應不同的總線(xiàn)命令，通過(guò)檢測PCI-cbe[3：0]信號線(xiàn)上的值，完成命令譯碼。
1.1.4 設備狀態(tài)機模塊
　PCI總線(xiàn)接口電路是時(shí)序復雜的接口電路,它的復雜性由PCI總線(xiàn)操作的多樣性決定。根據PCI的總線(xiàn)操作類(lèi)型和總線(xiàn)操作時(shí)序關(guān)系，在這里抽象出一種簡(jiǎn)潔明了，符合總線(xiàn)時(shí)序、更易于硬件描述語(yǔ)言實(shí)現的狀態(tài)機?？偩€(xiàn)接口狀態(tài)機示意圖如圖4所示。狀態(tài)機的設計是整個(gè)設計的核心部分,利用該狀態(tài)機可以完成配置寄存器、存儲器、I/O的讀寫(xiě)操作。

　狀態(tài)機包括4個(gè)狀態(tài)：空閑(idle)狀態(tài)、配置讀寫(xiě)（con）狀態(tài)、存儲器或I/O讀寫(xiě)(rw)狀態(tài)、傳輸中止（backoff）狀態(tài)。系統復位后，狀態(tài)機轉入空閑狀態(tài)，在空閑狀態(tài)中采樣總線(xiàn)，并根據總線(xiàn)的變化來(lái)決定狀態(tài)機即將轉入的狀態(tài)。如果此時(shí)命令總線(xiàn)上是配置寄存器讀寫(xiě)命令，判斷PCI-irdy信號是否有效來(lái)決定下一可能的狀態(tài)。如果信號無(wú)效，則狀態(tài)機轉入傳輸中止狀態(tài)，然后返回空閑狀態(tài)；如果信號有效，則狀態(tài)機轉入配置讀寫(xiě)狀態(tài)。如果此時(shí)命令總線(xiàn)上是存儲器或者I/O的讀寫(xiě)命令，則判斷PCI-frame信號是否有效來(lái)決定下一可能的狀態(tài)。如果信號無(wú)效，狀態(tài)機轉入傳輸中止狀態(tài)，然后返回空閑狀態(tài)；如果信號有效，狀態(tài)機轉入存儲器或I/O讀寫(xiě)狀態(tài)。
1.2 UART模塊
　PCI總線(xiàn)傳輸的是并行數據，而串口傳輸的是串行數據，要想實(shí)現PCI總線(xiàn)與串口的數據傳輸，必須通過(guò)UART完成數據的串并/并串轉換。本文設計的基于FPGA的UART由4個(gè)模塊組成：波特率發(fā)生器模塊、寄存器控制模塊、接收模塊以及發(fā)送模塊。UART的總體框圖如圖5所示。

1.2.1 波特率發(fā)生器模塊
　波特率發(fā)生器實(shí)際上就是一個(gè)分頻器，用來(lái)產(chǎn)生和串行通信所采用的波特率同步的時(shí)鐘，這樣才能按照串行通信的時(shí)序要求進(jìn)行數據接收或發(fā)送[3]。本設計中UART收發(fā)的每一個(gè)數據寬度都是波特率發(fā)生器輸出時(shí)鐘周期的16倍,即假定當前按照9 600 b/s進(jìn)行收發(fā),那么波特率發(fā)生器輸出的時(shí)鐘頻率應為9 600×16 Hz。
1.2.2 寄存器控制模塊
　設計的UART包括：2個(gè)數據緩沖寄存器(接收、發(fā)送緩沖寄存器)；2個(gè)狀態(tài)寄存器(中斷識別、線(xiàn)路狀態(tài)寄存器)；2個(gè)控制寄存器(中斷使能、線(xiàn)路控制寄存器)；2個(gè)移位寄存器(接收、發(fā)送移位寄存器)。寄存器控制模塊完成除了移位寄存器外的所有寄存器的讀寫(xiě)控制。
1.2.3 接收模塊
　接收模塊包括接收緩沖寄存器和接收移位寄存器。在接收數據開(kāi)始時(shí)，為了能夠準確地傳輸數據，先要清空接收緩沖寄存器和接收移位寄存器，然后接收移位寄存器等待檢測數據的起始位。檢測到有效的起始位后開(kāi)始接收數據，同時(shí)啟動(dòng)接收數據計數器，統計接收數據的位數，直到接收到滿(mǎn)足需求的數據位。如果需要奇偶校驗，則產(chǎn)生校驗位。最后接收停止位，完成1幀數據（起始位+數據位+奇偶校驗位+停止位）的接收，將數據存入接收緩沖寄存器，進(jìn)行下一幀數據的接收，并通知上位機讀取數據。