基于EPLD的PCI總線(xiàn)仲裁器的設計與實(shí)現

隨著(zhù)VLSI/ULSI技術(shù)的發(fā)展，可編程邏輯器件EPLD/FPGA越來(lái)越受到人們的青睞，由于它具有集成度高、速度快、開(kāi)發(fā)周期短、費用低、用戶(hù)可定義功能及可重復編程和擦寫(xiě)等許多優(yōu)點(diǎn)，其應用領(lǐng)域不斷擴大。這些器件的靈活性和通用性使得它們已成為研制和開(kāi)發(fā)復雜數字系統的理想選擇。
　　在PCI總線(xiàn)技術(shù)規范的基礎上，采用EPLD實(shí)現了高速PCI總線(xiàn)背板中多主控設備的總線(xiàn)仲裁。
1 PCI總線(xiàn)的仲裁機制
　　PCI總線(xiàn)仲裁是基于訪(fǎng)問(wèn)而不是基于時(shí)間片，也就是說(shuō)，對于一個(gè)PCI總線(xiàn)主設備，必須為它在總線(xiàn)上進(jìn)行的每次訪(fǎng)問(wèn)提出仲裁要求。PCI總線(xiàn)上采用的是并行仲裁(也叫獨立請求仲裁)方案，其仲裁機制如圖1所示。在這種仲裁中，每個(gè)主控器各有自己獨立的總線(xiàn)請求線(xiàn)_REQ 和總線(xiàn)允許線(xiàn)_GNT 與總線(xiàn)仲裁器相連，相互間沒(méi)有任何控制關(guān)系。仲裁器直接識別所有設備的請求，并根據一定的優(yōu)先級仲裁算法選中一個(gè)設備Ci ，向它直接發(fā)出總線(xiàn)允許信號_GNTi。PCI總線(xiàn)的仲裁是“隱含的”，就是說(shuō)一次仲裁可以在前一次總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)期間完成，這樣就使得仲裁的具體實(shí)現不必占用PCI總線(xiàn)周期。當然在總線(xiàn)空閑時(shí)除外。
　　在實(shí)際的PCI總線(xiàn)仲裁電路中，與仲裁直接有關(guān)的控制線(xiàn)除_REQ和_GNT外，還有_FRAME、_IRDY。此外，為了保證總線(xiàn)交換的同步，還應有一根總線(xiàn)時(shí)鐘信號PCIclk和一根總線(xiàn)復位信號_PCIrst，如圖1虛線(xiàn)所示。

2 總線(xiàn)的缺省占用
　　所謂總線(xiàn)的缺省占用，就是指在當前沒(méi)有設備使用總線(xiàn)或請求總線(xiàn)的情況下，允許仲裁器根據一定的方式選定一個(gè)設備作為總線(xiàn)缺省的擁有者，并向它發(fā)出_GNT信號。選擇的方式有多種，如可為某一固定設備，也可為最后一次使用總線(xiàn)的設備，當然也可以指定自己(仲裁器本身)為總線(xiàn)缺省的擁有者。
　　當仲裁器將某一設備確定為總線(xiàn)的缺省擁有者時(shí),該設備可以不通過(guò)發(fā)_REQ信號就開(kāi)始一次總線(xiàn)操作(只要總線(xiàn)空閑且_GNT信號有效)。但要注意的是：如果該設備需要做多次的數據傳輸，它就應當發(fā)出_REQ信號，以便向仲裁器提出多次操作的請求；而如果該設備只要求做一次總線(xiàn)操作，它就不應當發(fā)出_REQ信號，否則仲裁器可能在它不需要使用總線(xiàn)的情況下又給它發(fā)出_GNT信號。
3 仲裁信號協(xié)定
　　綜上所述， PCI總線(xiàn)的仲裁主要是通過(guò)_REQ和_GNT兩個(gè)信號來(lái)實(shí)現的。前者用于某一設備要求占用總線(xiàn)的請求，后者用于允許某一設備占用總線(xiàn)的應答。而對于一個(gè)PCI總線(xiàn)主控器，必須在它真正需要總線(xiàn)時(shí)才能發(fā)出_REQ信號，絕不可以用_REQ信號把自己“?？俊?在總線(xiàn)上。只有總線(xiàn)仲裁器才可以指定誰(shuí)是總線(xiàn)缺省的擁有者。
　　當仲裁器允許某一設備使用總線(xiàn)時(shí)，就向該設備發(fā)出_GNT信號；相反，當仲裁器不再允許某一設備擁有總線(xiàn)控制權時(shí)，可以在任意時(shí)鐘撤消該設備的_GNT信號。所以，每個(gè)總線(xiàn)主控器在開(kāi)始一次PCI總線(xiàn)操作時(shí)，一定要確知此時(shí)它們的_GNT信號是否有效。如果_GNT信號無(wú)效，這次操作就不可以進(jìn)行。
　　PCI總線(xiàn)的仲裁信號之間必須遵循一定的協(xié)定，具體描述如下：
　　? 若_GNT信號撤消而_FRAME有信號，當前的總線(xiàn)操作是合法的，并將繼續下去；
　　? 若總線(xiàn)不是處于空閑狀態(tài)，有可能一個(gè)_GNT的撤消碰巧是另一個(gè)_GNT發(fā)出的同時(shí)，但如果是在空閑狀態(tài)，則要求一個(gè)_GNT撤消到下一個(gè)_GNT的發(fā)出之間必須有一個(gè)時(shí)鐘周期。否則可能會(huì )在A(yíng)D線(xiàn)和PAR線(xiàn)上出現沖突；
　　? 當_FRAME無(wú)信號時(shí)，_GNT可以在任意時(shí)間撤消，以便服務(wù)于另一個(gè)主設備，或者作為對相應的_REQ撤消的響應；
　　? _GNT信號的每次發(fā)出，只限于相應的總線(xiàn)主控器可以使用總線(xiàn)進(jìn)行一次總線(xiàn)操作。若該主控器還想做多次總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)時(shí)，可以保持它的_REQ信號一直有效。此時(shí)，如果沒(méi)有其它請求，或者當前的主控器具有最高優(yōu)先權，仲裁器就會(huì )繼續批準總線(xiàn)給當前主控器；
　　?一個(gè)主控器可以在任意時(shí)刻撤消其_REQ信號，但要注意，_REQ信號一旦撤消，仲裁器將認為該設備不再請求使用總線(xiàn)，因而撤消其_GNT信號。若一個(gè)主控器只希望做一次總線(xiàn)傳輸，它應當在發(fā)出_FRAME的同一時(shí)鐘周期撤消_REQ；
　　?如果當前的主控器在它的_GNT信號發(fā)出之后(_REQ也一直有效)，持續16個(gè)空閑周期還沒(méi)有開(kāi)始總線(xiàn)操作，仲裁器就可以認為當前的主控器“已壞”。因而，仲裁器可以在任意時(shí)刻撤消_GNT信號，以便服務(wù)于一個(gè)優(yōu)先級更高的設備。
4 優(yōu)先級仲裁算法
　　為了合理地控制和管理系統中需要占用總線(xiàn)的數據源，PCI仲裁器必須實(shí)現一個(gè)特別的優(yōu)先級仲裁算法，以便在多個(gè)設備同時(shí)提出總線(xiàn)占用請求時(shí)，能依據該仲裁算法判決出哪個(gè)設備應獲得對總線(xiàn)的控制權?？偩€(xiàn)仲裁可以確保任何時(shí)刻總線(xiàn)上最多只有一個(gè)設備發(fā)送信息，而決不會(huì )出現多個(gè)主控器同時(shí)占用總線(xiàn)的情況。
　　由于總線(xiàn)仲裁算法從根本上說(shuō)與PCI總線(xiàn)技術(shù)規范無(wú)關(guān)，所以設計者可以根據實(shí)際需要自由地進(jìn)行選擇和修改。但要注意，設計時(shí)必須為所選用的I/O控制器及接插卡提供所要求的訪(fǎng)問(wèn)延遲保證。
　　總線(xiàn)優(yōu)先級仲裁算法通常有兩種，一種是固定優(yōu)先級算法，一種是循環(huán)優(yōu)先級算法。但不管是哪一種仲裁算法，都必須滿(mǎn)足以下三個(gè)基本要求：
　　? 每一時(shí)刻只能有一個(gè)設備作為總線(xiàn)主控器；
　　? 先請求者先響應，且在一個(gè)總線(xiàn)操作周期之內不被打斷；
　　? 同一時(shí)刻有幾個(gè)設備發(fā)出請求時(shí)，按優(yōu)先級排序響應。
　　所謂固定優(yōu)先級算法，就是指PCI總線(xiàn)中各主控器的優(yōu)先級是事先確定好的，在仲裁器仲裁過(guò)程中固定不變；而循環(huán)優(yōu)先級算法則不同，各主控器的優(yōu)先級在仲裁器的仲裁過(guò)程中不是一成不變，而是根據一定規律發(fā)生變化的。
　　表1給出了采用循環(huán)優(yōu)先級算法或固定優(yōu)先級算法時(shí)，PCI總線(xiàn)仲裁器中N個(gè)主控器的優(yōu)先級變化規律。

采用固定優(yōu)先級算法，可以對那些有重要數據傳輸、或有大量實(shí)時(shí)數據傳輸以及經(jīng)常需要占用總線(xiàn)的主設備賦予較高的優(yōu)先權，以便有效地利用PCI總線(xiàn)周期。固定優(yōu)先級算法的缺點(diǎn)是，它將規定每個(gè)PCI插槽的優(yōu)先級，這也就規定了接插卡的插放次序，從而造成了使用上的不便。另外，固定優(yōu)先級算法有時(shí)還會(huì )出現總線(xiàn)設備“撐死”和“餓死”的現象。相反，采用循環(huán)優(yōu)先級算法則可以克服這種“飽餓”不均的弊端。在循環(huán)優(yōu)先級算法中，由于其優(yōu)先級隨著(zhù)每個(gè)總線(xiàn)周期動(dòng)態(tài)地改變，各個(gè)設備在總線(xiàn)上的身份平等，獲得總線(xiàn)占用權的機會(huì )均等。所以，在一定意義上來(lái)說(shuō)，優(yōu)先級循環(huán)是最公平的算法。循環(huán)優(yōu)先級的缺點(diǎn)是當處理某些設備的大批量實(shí)時(shí)數據時(shí)會(huì )造成效率的降低。正因如此，在實(shí)際中，常常將這兩種算法結合起來(lái)使用，以便構成更為靈活的仲裁機構。
5 仲裁器的EPLD編程設計
　　下面以支持5個(gè)總線(xiàn)主控器的PCI總線(xiàn)仲裁器為例，給出采用Altera公司的EPLD進(jìn)行功能實(shí)現的主要設計思路，其中，所用編程語(yǔ)言為Altera公司的AHDL語(yǔ)言。該仲裁器采用循環(huán)優(yōu)先級仲裁算法，且總線(xiàn)的缺省擁有者指定為最后一次使用總線(xiàn)的主設備。
5.1 PCI總線(xiàn)的狀態(tài)機
　　PCI總線(xiàn)的狀態(tài)機包括三種基本狀態(tài)：無(wú)任何總線(xiàn)請求(NO_REQ)、等待周期(WAIT_CYCLE)和幀信號_FRAME的撤消(FRAMED)。其中，_FRAME信號的撤消，意味著(zhù)當前的總線(xiàn)操作將進(jìn)入最后一個(gè)數據傳輸周期，此時(shí)，_IRDY有效，一旦 _TRDY也有效,最后一個(gè)數據傳輸周期就可完成。而判斷_FRAME是否撤消的具體方法就是判斷_FRAME是否出現從低到高的上跳變。圖2所示即為PCI總線(xiàn)的狀態(tài)機。圖中，TIME_OUT為從_GNT發(fā)出到_FRAME變?yōu)橛行试S的PCI總線(xiàn)周期數。

5.2 PCI總線(xiàn)仲裁器的狀態(tài)機
　　由于此仲裁器最大支持5個(gè)PCI總線(xiàn)主控器，所以，需定義5個(gè)狀態(tài)Master0、Master1、Master2、Master3、Master4用來(lái)區分當前是哪一個(gè)主控器占用總線(xiàn)。至于仲裁器的仲裁狀態(tài)什么時(shí)候應該發(fā)生變化則由總線(xiàn)狀態(tài)機的狀態(tài)決定，具體如下：當總線(xiàn)狀態(tài)機處于FRAMED狀態(tài)，表明在最后一個(gè)數據傳輸周期結束后，它將釋放PCI總線(xiàn)，此時(shí)，仲裁器便可撤消對它的_GNT信號，以便去服務(wù)于另一個(gè)主控器；當總線(xiàn)狀態(tài)機處于NO_REQ狀態(tài)，此時(shí)，需要由仲裁器來(lái)指定一個(gè)缺省的總線(xiàn)占用者；當總線(xiàn)狀態(tài)機處于WAIT_CYCLE狀態(tài)，且允許該設備占用總線(xiàn)的時(shí)間限制已到(Timeout)，這時(shí)仲裁器也將撤消對它的_GNT信號，以便服務(wù)于其它的主設備。所以，若用EnChange來(lái)代表允許仲裁器仲裁狀態(tài)發(fā)生變化的條件，則采用AHDL語(yǔ)言的具體編程如下：
　　EnChange ＝ (EnCHstate ＝＝ FRAMED) # (EnCHstate ＝＝ NO_REQ) # (TimeOut[] ＝＝ TIME_OUT)
　　該仲裁器中，由于采用循環(huán)優(yōu)先級算法，仲裁器從每一種仲裁狀態(tài)轉換到其它仲裁狀態(tài)的方法都是一樣的，所以，下面只給出了仲裁器的仲裁狀態(tài)為主控器1時(shí)向其它仲裁狀態(tài)的轉換機理(如圖3所示)。另外，若仲裁器在剛啟動(dòng)時(shí)處于無(wú)效狀態(tài)，則強制狀態(tài)機在下一個(gè)時(shí)鐘轉換到Master0態(tài)。

5.3 總線(xiàn)允許信號_GNTi(低電平有效)的建立
　　在PCI對話(huà)中，由于_FRAME 和 _IRDY決定著(zhù)總線(xiàn)的忙/閑狀態(tài)。兩者之中只要有一個(gè)信號成立，總線(xiàn)就處于忙碌狀態(tài)；當兩個(gè)信號都無(wú)效時(shí)，總線(xiàn)才處于空閑狀態(tài)。所以建立_GNTi的具體編程如下：
　　!_GNTi＝(GNTstate＝＝Masteri)GLOBAL(_PCIrst)
　　!MaskGNT;%式中，MaskGNT＝ _FRAME _IRDY %
　　總之，本文介紹的PCI總線(xiàn)仲裁器，由于采用單片EPLD即可實(shí)現，所以它具有系統結構簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高、在線(xiàn)修改方便及升級容易等特點(diǎn)。目前，采用該仲裁器的PCI高速總線(xiàn)背板已應用在我們研發(fā)的總線(xiàn)型高性能網(wǎng)絡(luò )交換機系列中。經(jīng)過(guò)近兩年的實(shí)際運行表明，仲裁器工作正常，性能穩定可靠。