基于FPGA的PCI總線(xiàn)接口原理研究與設計
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在現代數據采集及處理系統中，ISA、EISA、MCA等擴展總線(xiàn)已無(wú)法適應高速數據傳輸的要求，而PCI局部總線(xiàn)以其優(yōu)異性?xún)r(jià)比和適應性成為大多數系統的主流總線(xiàn)。
PCI總線(xiàn)特點(diǎn)
PCI總線(xiàn)寬度32位，可升級到64位；最高工作頻率33MHz，支持猝發(fā)工作方式，使傳輸速度更高；低隨機訪(fǎng)問(wèn)延遲(對從總線(xiàn)上的主控寄存器到從屬寄存器的寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)延遲為60ns)；處理器/內存子系統能力完全一致；隱含的中央仲裁器；多路復用體系結構減少了管腳數和PCI部件；給于ISA、EISA、MAC系統的PCI擴展板，減少了用戶(hù)的開(kāi)發(fā)成本；對PCI擴展卡及元件能夠自動(dòng)配置，實(shí)現設備的即插即用；處理器獨立，不依賴(lài)任何CPU，支持多種處理器及將來(lái)更高性能的處理器；支持64位地址；多主控制允許任何PCI主設備和從設備之間進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)訪(fǎng)問(wèn)；PCI提供數據和地址的奇偶校驗功能，保證了數據的完整性和準確性。
PCI接口開(kāi)發(fā)現狀
目前開(kāi)發(fā)PCI接口大體有兩種方式，一是使用專(zhuān)用的PCI接口芯片，可以實(shí)現完整的PCI主控模塊和目標模塊接口功能，將復雜的PCI總線(xiàn)接口轉換為相對簡(jiǎn)單的用戶(hù)接口。用戶(hù)只要設計轉換后的總線(xiàn)接口即可，縮短了開(kāi)發(fā)周期，缺點(diǎn)是用戶(hù)可能只用到部分PCI接口功能，這樣造成了一定的邏輯資源浪費，也缺乏靈活性，很可能增加板上的組件，導致產(chǎn)品成本的增加和可靠性的降低。二是使用可編程器件，采用FPGA的優(yōu)點(diǎn)在于其靈活的可編程性，首先PCI接口可以依據插卡功能進(jìn)行最優(yōu)化，而不必實(shí)現所有的PCI功能，這樣可以節約系統的邏輯資源。而且，用戶(hù)可以將PCI插卡上的其他用戶(hù)邏輯與PCI接口邏輯集成在一個(gè)芯片上，實(shí)現緊湊的系統設計。當系統升級時(shí)，只需對可編程器件重新進(jìn)行邏輯設計，而無(wú)需更新PCB版圖?，F在已經(jīng)有越來(lái)越多的用戶(hù)使用可編程器件如FPGA、CPLD等進(jìn)行PCI設備的開(kāi)發(fā)。
本文所論述的PCI接口控制器是作為一個(gè)轉換接口工作于PCI總線(xiàn)與用戶(hù)設備之間，也可以認為其主要功能是起一個(gè)橋梁作用，完成用戶(hù)設備與PCI總線(xiàn)間的信息傳送。
PCI接口設計
在PCI板卡的設計中，核心設計有時(shí)序控制和配置空間兩部分。時(shí)序控制保證了板卡能按正常的PCI時(shí)序工作，配置空間部分保證了板卡的即插即用功能。在進(jìn)行FPGA設計時(shí)本設計使用的軟件是Altera的MAX+PLUSII，開(kāi)發(fā)芯片是EPF10K20RC240-3。
● PCI接口配置空間的實(shí)現
PCI總線(xiàn)定義了3種物理地址空間，分別是存儲器地址空間、I/O地址空間和配置地址空間。
配置空間是PCI所特有的一種空間，其目的在于提供一套適當的配置措施，使之滿(mǎn)足現行的和可預見(jiàn)的系統配置機構。配置空間是一長(cháng)度為256字節并且有特定記錄結構的地址空間，可以在系統自舉時(shí)訪(fǎng)問(wèn)，也可在其他時(shí)間訪(fǎng)問(wèn)。該空間分為首部區和設備有關(guān)區兩部分，設備在每個(gè)區中只須實(shí)現必要的和與之相關(guān)的寄存器。配置空間的基地址寄存器提供了一種為設備指定存儲空間或I/O空間的機制。
(1)廠(chǎng)商ID：此16位的只讀寄存器定義了設備的生產(chǎn)廠(chǎng)商，可以使用MACH芯片最初的生產(chǎn)廠(chǎng)商－AMD公司的ID值1022。
(2)設備ID：該值由生產(chǎn)廠(chǎng)商分配以識別其產(chǎn)品，可為除00000000H和0FFFFFFFFH中的任意值。
(3)命令寄存器：此寄存器控制了設備響應PCI訪(fǎng)問(wèn)的能力。位1、6、8在本設計中被實(shí)現。本設計要求實(shí)現對存儲空間的訪(fǎng)問(wèn)，位1設置為1，則設備響應PCI對存儲器訪(fǎng)問(wèn)；位6控制了設備對奇偶校驗錯誤的響應；當位8被設置為1時(shí)，設備能夠驅動(dòng)SERR線(xiàn)，0則禁止設備的SERR輸出驅動(dòng)器。在這里當系統復位后，位1、6、8被設置為0。
(4)狀態(tài)寄存器：此寄存器記錄了PCI相關(guān)事件的信息。在本系統中，位9、10、11、14、15被設計實(shí)現。位10∶9為設備選擇(DEVSEL#)定時(shí)，00B為慢速，01B為中速，10B為快速，11B保留。本設計這兩位被硬件連線(xiàn)為01B。當目標設備失敗時(shí)，位11被設置為1，當發(fā)生系統錯誤時(shí)位14置1，發(fā)生奇偶校驗錯誤時(shí)位15置1。
(5)基地址寄存器：該寄存器用來(lái)映射設備的存儲器地址空間，與設備地址空間大小相應的低位被強制為0，因此在配置寫(xiě)交易中，配置軟件通過(guò)對這個(gè)寄存器的所有位寫(xiě)1，然后再讀出該寄存器的值來(lái)決定設備存儲器所占用的地址范圍。位0用來(lái)定義設備是存儲器映射還是I/O映射，在本設計中，位0被設為低以表明目標設備為存儲器映射的。
如需要256字節的存儲空間，配置軟件寫(xiě)入0FFFFFFFFH，本設備送出0FFFFFF00H，而配置軟件再次寫(xiě)入基地址寄存器的值與本設備的0FFFFFF00H相與的結果就是基地址值，如配置軟件再次寫(xiě)入0CD000000H則基地址值為0CD000000H。
(6)類(lèi)代碼寄存器：這個(gè)24位的只讀寄存器用來(lái)說(shuō)明設備的基本功能和它的可編程接口。這里，此寄存器被強制為018000H，即設備為大容量存儲控制器。
(7)首部類(lèi)型寄存器：這個(gè)只讀寄存器的位0～6定義了首部格式，位7說(shuō)明了設備為單功能還是多功能。首部類(lèi)型1為PCI-PCI橋定義，首部類(lèi)型2則用于PCI CardBus橋。在本設計中寄存器被強制為0來(lái)顯示其為單功能設備且首部類(lèi)型為0。
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