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PCI總線協(xié)議的FPGA實現(xiàn)及驅(qū)動設(shè)計
摘要：采用FPGA技術(shù)，在ALTERA公司的FLEX6000系列芯片上實現(xiàn)了從設(shè)備模式PCI總線的簡化協(xié)議，并給出了Windows9x系統(tǒng)下的虛擬設(shè)備驅(qū)動程序，提供了與應(yīng)用程序的接口。實現(xiàn)結(jié)果表明：該設(shè)備結(jié)構(gòu)靈活，功能可靠，有利于與其它模塊實現(xiàn)單片集成應(yīng)用。本系統(tǒng)已應(yīng)用在數(shù)據(jù)采集和處理、圖像處理等方面。目前，許多公司都提出了新型的計算機(jī)高速總線，如Arapahoe總線標(biāo)準(zhǔn)和HyperTransport技術(shù)，但各協(xié)議互不兼容，沒有形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。作為傳統(tǒng)的通用局部總線，PCI總線仍然占據(jù)著主流個人電腦市場，具有頑強(qiáng)的生命力。
現(xiàn)在市面上存在著各種PCI接口芯片，如AMCC公司的S5933，PLX的9080系列等。專用芯片可以實現(xiàn)完整的PCI主設(shè)備與從設(shè)備模式的接口功能，將復(fù)雜的PCI總線接口轉(zhuǎn)化相對簡單的用戶接口，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)受接口芯片的限制，不能靈活地設(shè)計目標(biāo)系統(tǒng)，且成本較高。本文使用符合PCI電氣特性的FPGA芯片進(jìn)行簡化的PCI接口邏輯設(shè)計，實現(xiàn)了33MHz、32位數(shù)據(jù)寬度的PCI從設(shè)備模塊的接口功能，節(jié)約了系統(tǒng)的邏輯資源，且可以將其它用戶邏輯集成在同一塊芯片，降低了成本，增加了設(shè)計的靈活性。另外，還給出了Windows9x系統(tǒng)下的設(shè)備驅(qū)動程序，可以與應(yīng)用程序接口，形成一個完整的系統(tǒng)。目前，本系統(tǒng)已經(jīng)被印染企業(yè)應(yīng)用在數(shù)據(jù)采集和處理等方面。
1 系統(tǒng)構(gòu)成與功能描述
系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。
由圖1可見，系統(tǒng)的硬件平臺為一塊PCI卡。此卡的結(jié)構(gòu)十分簡潔，主要由FPGA芯片、RAM芯片和輸出接口三部分組成。其中，F(xiàn)PGA芯片集成了PCI接口模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。PCI接口模塊實現(xiàn)了33MHz工作時鐘、32位總線寬度的接口功能，支持I/O空間、內(nèi)存空間及配置空間的讀寫和PCI中斷功能。由于簡化的PCI接口占用的邏輯資源較少，可在同一塊芯片中集成其他用戶邏輯。作為一個應(yīng)用實例，本文加入了一個數(shù)據(jù)處理模塊，對PCI接口傳送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過片外的輸出接口輸出到下位機(jī)。RAM芯片為數(shù)據(jù)處理提供緩存功能。
2 從設(shè)備模式下的簡化PCI協(xié)議的實現(xiàn)
為了實現(xiàn)PCI接口的基本功能，必須完成以下幾個模塊：
（1）PCI配置空間設(shè)置。PCI協(xié)議支持三種地址空間：I/O空間、內(nèi)存空間和配置空間。配置空間提供了支持PCI設(shè)備自動配置的機(jī)制，是必需的。
（2）PCI從設(shè)備狀態(tài)機(jī)。PCI總線狀態(tài)機(jī)是具有PCI總線的計算機(jī)系統(tǒng)狀態(tài)流，是由一個已知狀態(tài)到另一個狀態(tài)的條件、時序的描述。這是PCI接口設(shè)計中最基本也是最重要的部分。
（3）地址譯碼和命令譯碼。地址譯碼用來確定PCI設(shè)備是否應(yīng)當(dāng)響應(yīng)當(dāng)前總線的操作；命令譯碼則用來指示PCI設(shè)備根據(jù)不同的總線命令作出相應(yīng)的動作。
本文采用ALTERA公司的Max PlusII軟件平臺，硬件描述語言使用ALTERA HDL語言，也可以方便地轉(zhuǎn)換民VHDL或VerilogHDL語言。在此之前，先引入PCI總線信號的定義。
2.1 總線信號定義
根據(jù)PCI總線協(xié)議2.2版，從設(shè)備模式下PCI接口至少包含47根引腳。圖2給出了按功能劃分的引腳分布，左邊是必需引腳。右邊是可選引腳。為簡化起見，本文采用了如下引腳，其他引腳均不使能或置為高阻態(tài)。
（1）由系統(tǒng)提供的33MHz的同步時鐘信號CLK和復(fù)位信號RST#（#表示低電平有效）；
（2）關(guān)于數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵男盘枺?2位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用線AD[31:0]、總線命令/字節(jié)使能復(fù)用線C/BE[3:0]#和偶校驗信號PAR；
（3）接口控制信號FRAME#、TRDY#、IRDY#、STOP#、DEVSEL#和IDSEL。其中，F(xiàn)RAME#為數(shù)據(jù)傳輸起止信號，TRDY#為主設(shè)備準(zhǔn)備好信號，IRDY#為從設(shè)備準(zhǔn)備好信號，STOP#為從設(shè)備停止請求信號，DEVSEL#為設(shè)備選擇信號，IDSEL為配置空間讀寫時的片選信號；
（4）中斷引腳INTA#。
為簡化PCI協(xié)議，本文只實現(xiàn)了最重要的總線命令，表1給出了所支持的總線命令對應(yīng)的C/BE[3:0]#編碼值。
表1 支持的總線命令
0011
0110
0111
1010
1011I/O讀
I/O寫
存儲器讀
存儲器寫
配置空間讀
配置空間寫
2.2 配置空間設(shè)置
配置空間大小為256字節(jié)，前64字節(jié)必需，記錄了PCI設(shè)備的基本住處，比較重要的有：
（1）VendorID、DeviceID和Class Code域：分別表示設(shè)備的生產(chǎn)廠商、設(shè)備編號和類型；
（2）Command和Status域：分別給出了對PCI設(shè)備的控制命令和當(dāng)前狀態(tài)；
（3）Base Adress Register域：指示此PCI設(shè)備按I/O方式還是內(nèi)存方式進(jìn)行讀寫以及需要的地址空間大小；
（4）Interrupt Line和Interrupt Pin域：分別指明了設(shè)備使用的斷號和中斷引腳。
在對配置空間的訪問中，用AD[7:2]尋址一個雙字DWORD。在本設(shè)計中，配置空間設(shè)置如表2所示。
2.3 簡化的從設(shè)備狀態(tài)機(jī)
在PCI協(xié)議中，標(biāo)準(zhǔn)的從設(shè)備狀態(tài)機(jī)包含五種狀態(tài)，而且各狀態(tài)的跳轉(zhuǎn)條件比較復(fù)雜。本文在不違反PCI協(xié)議的前提下，簡化了從設(shè)備的狀態(tài)機(jī)，如圖3所示。
圖3中，狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件信號a、b、c定義如下：a代表配置空間訪問條件,b代表I/O空間或內(nèi)存空間訪問條件，c代表總線傳輸開始條件。這三個條件的實現(xiàn)由后面的命令譯碼模塊給出。
表2 配置空間設(shè)置（均為十六進(jìn)制）
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