嵌入式系統中PCI總線(xiàn)仲裁器的設計方法

　　PCI總線(xiàn)是現今最為流行的工業(yè)控制總線(xiàn)之一。它廣泛地應用在計算機中，很多目標嵌入式設備中的解決方案都包含了PCI總線(xiàn)。這里介紹一種基于CPLD（復雜可編程邏輯器件）的PCI總線(xiàn)仲裁器的設計方法，可以為系統量身定制適合于系統本身的PCI總線(xiàn)仲裁器。

　　1 PCI總線(xiàn)仲裁簡(jiǎn)介

　　1.1 PCI總線(xiàn)的仲裁原理

　　PCI總線(xiàn)是一種共享式的總線(xiàn)，可以連接多個(gè)主設備，但由于數據傳輸的獨占性，每一時(shí)刻只能由一個(gè)主設備占用總線(xiàn)。因此，為了有效地利用PCI總線(xiàn)寬帶，必須設置一個(gè)總線(xiàn)仲裁器，按照一定的算法協(xié)調系統中各個(gè)主設備的操作。

　　PCI總線(xiàn)仲裁的裁決過(guò)程可以在PCI傳輸期間完成，并不占用PCI總線(xiàn)的寬帶，這稱(chēng)為隱式仲裁，即需要發(fā)起PCI操作的設備可以隨時(shí)發(fā)出請求REQ＃，PCI仲裁器立即批準該請求被給出GNT＃，但是真正的傳輸操作一定要等到當前傳輸完成，即總線(xiàn)空閑后才可以開(kāi)始，圖1描述了PCI總線(xiàn)設備與仲裁器的關(guān)系。

　　1.2 PCI總線(xiàn)仲裁規則約定

　?。?）仲裁器的仲裁算法必須保證所有的設備都能得到授權的機會(huì )，否則將會(huì )出現某個(gè)優(yōu)先級低的設備永遠不能占有總線(xiàn)進(jìn)行事務(wù)操作的情況。

　?。?）如果FRAME無(wú)效，GNT可以在任意時(shí)間撤銷(xiāo)，以便服務(wù)于另一個(gè)主設備或者作為對主設備車(chē)REQ的響應。

　?。?）如果GNT信號被撤銷(xiāo)但FRAME有信號，當前的總線(xiàn)正在傳輸數據，則操作合法。

　?。?）如果總線(xiàn)不處于空閑狀態(tài)，則允許一個(gè)GNT的撤銷(xiāo)和另一個(gè)GNT的發(fā)生在同一個(gè)周期，如果處在空閑狀態(tài)，則要求一個(gè)GNT撤銷(xiāo)到下一個(gè)GNT的發(fā)出之間必須有一個(gè)時(shí)鐘周期間隔，否則可能會(huì )在A(yíng)D線(xiàn)和PAR線(xiàn)上出現沖突。

　?。?）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。仲裁器會(huì )按照特定的仲裁算法來(lái)決定是否仍判給該主設備。

　?。?）一個(gè)主控器可以在任意時(shí)刻撤銷(xiāo)其REQ信號，REQ信號一旦撤銷(xiāo)，仲裁器將認為該設備不再請求使用總線(xiàn)，因而撤銷(xiāo)其GNT信號。

　?。?）如果當前的主控器在它的GNT信號發(fā)出后，持續16個(gè)空閑周期還沒(méi)有開(kāi)始總線(xiàn)操作，則仲裁器視其為超時(shí)，仲裁器可以在任意時(shí)刻撤銷(xiāo)GNT信號。

　　1.3 PCI總線(xiàn)仲裁的算法

　　目前，應用于PCI總線(xiàn)仲裁的算法主要有固定優(yōu)先級算法和動(dòng)態(tài)優(yōu)先級算法兩種，在固定優(yōu)先級算法中，各個(gè)設備的優(yōu)先級是事先確定好的，仲裁器針對事先設定好的優(yōu)先級為每個(gè)設備分配使用權。最常用的是循環(huán)優(yōu)先級算法，即每次仲裁授權后將排隊中的設備優(yōu)先級加1。因其算法簡(jiǎn)單，且對大部分應用都十分有效。

　　1.4 總線(xiàn)?？?/STRONG>

　　當PCI總線(xiàn)空閑時(shí)，一個(gè)設備從申請總線(xiàn)到被授權使用，最小也需要2個(gè)時(shí)鐘周期，這對于PCI總線(xiàn)是一種浪費。因此仲裁器通常選中一個(gè)最經(jīng)常占用總線(xiàn)的設備，PCI總線(xiàn)空閑時(shí)將GNT＃賦予它，這叫做總線(xiàn)?？?。當總線(xiàn)空閑時(shí)，該設備需要占用總線(xiàn)時(shí)可馬上得到批準。

　　2 雙主設備PCI總線(xiàn)仲裁器的實(shí)現

　　下面描述了一個(gè)具有兩個(gè)設備的總線(xiàn)仲裁器的硬件實(shí)現，其一為T(mén)riMedia嵌入式DSPCPU PNX1300，其二為Intel i82559網(wǎng)絡(luò )控制器，系統結構如圖2所示。

　　該仲裁器的接口信號如表1所示。

　　為了設計方便起見(jiàn)，在程序中設計三類(lèi)狀態(tài)機：總線(xiàn)狀態(tài)狀態(tài)機、總線(xiàn)主設備查詢(xún)狀態(tài)機、仲裁狀態(tài)機。

　　2.1 總線(xiàn)狀態(tài)狀態(tài)機

　　總線(xiàn)狀態(tài)狀態(tài)機用于記錄總線(xiàn)事務(wù)的狀態(tài)，定義如下：

　　type bus_state is（IDLE，BUSY，LAST_DATA，FINISH）

　　四種狀態(tài)分別表示總線(xiàn)空閑、忙、最后一個(gè)數據傳輸期以及傳輸完成。狀態(tài)圖如圖3。

　　下面是以VHDL代碼形式實(shí)現的該狀態(tài)機的狀態(tài)轉換關(guān)系。

　　2.2總線(xiàn)主設備查詢(xún)狀態(tài)機

　　總線(xiàn)主設備查詢(xún)狀態(tài)機用來(lái)決定當前是否需要重新指定一個(gè)主設備，重新指定一個(gè)主設備的條件是：（1）當前被授權的設備已開(kāi)始傳輸；（2）當前被授權的設備沒(méi)有開(kāi)始傳輸并且超時(shí)。將主設備查詢(xún)狀態(tài)分為IDLE、GNT1、GNT2、WAIT_NOBUSY和WAIT_BUSY2五個(gè)狀態(tài)，并設置計數器count，當總線(xiàn)上某個(gè)設備被授權，16個(gè)周期仍然沒(méi)有開(kāi)始操作，count超過(guò)16，被視為超時(shí)，仲裁器可以撤銷(xiāo)其仲裁授權，并傳授其他設備，程序根據這個(gè)狀態(tài)機的輸出結果決定仲裁狀態(tài)機是否改變。

　　狀態(tài)轉換如圖4所示，狀態(tài)機描述的VHDL代碼略。

　　主設備查詢(xún)狀態(tài)機的輸出信號search_master：

　　該狀態(tài)機的驅動(dòng)條件是由總線(xiàn)狀態(tài)狀態(tài)機的輸出結果、仲裁狀態(tài)機的狀態(tài)以及計數器產(chǎn)生的超時(shí)信號組成。該狀態(tài)機的輸出search_master作為仲裁狀態(tài)機狀態(tài)轉換使能信號，該信號有效時(shí)，仲裁狀態(tài)機才進(jìn)行當前狀態(tài)的改變。

　　2.3 仲裁狀態(tài)機

　　仲裁狀態(tài)機表示總線(xiàn)仲裁器的狀態(tài)，定義如下：

　　狀態(tài)轉變過(guò)程如圖5所示，狀態(tài)機描述的VHDL代碼略。

　　仲裁器根據仲裁狀態(tài)機當前狀態(tài)控制仲裁授權信號的給出。

　　2.4仿真波形圖

　　由圖6可看出，測試文件模擬了一個(gè)設備申請和兩個(gè)設備同時(shí)申請的情況，并給出了總線(xiàn)授權信號，驗證了仲裁器邏輯的正確性。

　　2.5 資源占用情況分析

　　可編程邏輯器件使用Lattice公司的ispLSI2064E135LT100，在ispLever中綜合本例程序，結果如表2。

　　綜合后的延遲分析顯示，該邏輯的時(shí)鐘周期最小為7.5ns，即該邏輯可以運行在133MHz以下的系統中，完全可以勝任33MHz PCI總線(xiàn)的仲裁工作。