1 引言
PCI，外設(shè)組件互連標(biāo)準(zhǔn)（Peripheral Component Interconnection）是一種由Intel公司1991年推出的用于定義局部總線的標(biāo)準(zhǔn)，自規(guī)范推出，得到網(wǎng)絡(luò)通信，數(shù)據(jù)采集處理，工業(yè)控制等多行業(yè)的廣泛應(yīng)用，并出現(xiàn)PCI-E。CPCI，PXI等多個(gè)擴(kuò)展改良版本。PCI總線支持其即插即用，中斷共享，高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，有著廣闊的市場(chǎng)前景。
本文介紹了目前使用美國PLX公司生產(chǎn)的協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片PCI9054，用verilog?HDL在FPGA中產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)．完成對(duì)數(shù)據(jù)的快速讀寫，從而實(shí)現(xiàn)了與PCI總線的高速數(shù)據(jù)通訊。本系統(tǒng)可擴(kuò)展，適用于其他PCI設(shè)備系統(tǒng)，具有實(shí)用價(jià)值。
2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
本系統(tǒng)主要由PCI9054與FPGA構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖以及信號(hào)連接如圖1所示。可以根據(jù)實(shí)際需要，利用FPGA的可編程性，實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能，如與單片機(jī)，DSP等處理器的不同速率間接高速通信等。協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片PCI9054作用就是為本地處理器和主機(jī)之間架起一座通信的橋梁。
圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
1） PCI9054硬件實(shí)現(xiàn)
PCI9054是美國PCI公司生產(chǎn)的先進(jìn)的PCI總線接口芯片，它滿足PCI V2．2協(xié)議，支持32位33MHz時(shí)鐘PCI總線，特別適用于PCI總線外設(shè)產(chǎn)品的開發(fā)。PCI9054局部總線有三種工作模式：M模式、C模式和J模式，可方便地與多種微處理器連接。PCI9054的工作方式可利用模式選擇引腳（MODEO，MODE 1）加以選擇。
2） PCI9054硬件連接電路（如圖2所示）：
圖2 PCI9054硬件連接電路圖
3） PCI9054與PCI插槽信號(hào)連接
PCI9054與PCI插槽間的連接信號(hào)線，這些信號(hào)線包括地址數(shù)據(jù)復(fù)用信號(hào)AD［31：0］，總線命令信號(hào)C/BE［3：0］和PCI協(xié)議控制信號(hào)PAR，F(xiàn)RAME#，IRDY#，TRDY#，STOP#，IDSEL，DEVSEL#等，電路連接中將彼此對(duì)應(yīng)的信號(hào)線連接在一起即可。在PCI總線信號(hào)中．除了RST#。INTA#-INTD#之外，其他所有的信號(hào)都在始終上升沿被采樣。每個(gè)信號(hào)都
有相對(duì)于時(shí)鐘前沿建立和保持時(shí)間。在此期間，不允許有信號(hào)的跳動(dòng)。該時(shí)間一過，信號(hào)的變化就無關(guān)緊要了。這種建立和保持時(shí)間對(duì)于不同的信號(hào)其情形是不同的。對(duì)于AD［31：0］，PAR和IDSEL來說，只有在一定的十種邊沿上才有上述時(shí)間的要求。對(duì)于LOCK#，IRDY#，TRDY#．FRAME#，DEVSEL#，STOP#，ⅢeQ#，GNT#，SERR#和PERR#這些信號(hào)在每個(gè)時(shí)鐘前沿都有建立和保持時(shí)間。對(duì)于C/BE［3：0］#在傳輸總線命令是，要在FRAME#第一次建立時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘邊沿上遵守建立和保持時(shí)間的關(guān)系。若傳輸字節(jié)使能信號(hào)時(shí)，要在完成一個(gè)地址期或數(shù)據(jù)期之后的每一個(gè)時(shí)鐘邊沿保證相應(yīng)的建立和保持時(shí)間。
4） PCI9054與EEPROM接口
各種接口芯片都需要外接串行EEPROM芯片來加載配置數(shù)據(jù)．對(duì)于串行EEPROM芯片，需要根據(jù)接口芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出的生產(chǎn)廠家及型號(hào)選擇。這里選擇FM93LC56。PCI9054提供4個(gè)管腳與串行EEPROM相連接，他們分別是EEDI，EEDO，EESK，EECS，對(duì)應(yīng)于FM93LC56的DI，DO，SkCS這四個(gè)管腳，這4對(duì)管腳直接相連就可以，另外93Lc56的VCC管腳需要接+5V電源，GND接地。因?yàn)樾枰獙?duì)串行EEPROM進(jìn)行寫操作，串行EEPROM應(yīng)處于可編程而且非保護(hù)狀態(tài)，所以PE接高電平而PRE接低電平。FM93LC56的技術(shù)手冊(cè)規(guī)定兩個(gè)管腳上拉和下拉的電阻應(yīng)為10K左右。
5） PCI9054與LOCAL Bus端連接
LHOLD：申請(qǐng)使用本地總線，輸出信號(hào)；LHOLDA：對(duì)LHOLD應(yīng)答，輸入信號(hào)；ADS：新的總線訪問有效地址的開始，在總線訪問first clock設(shè)置時(shí)，輸出信號(hào)；BLAST：表示為總線訪問的last transfer，輸出信號(hào)；LW／R#：高電平表示讀操作，低電平表示寫操作，輸出信號(hào)；LA：地址線；LD：數(shù)據(jù)線；READY：表示總線上讀數(shù)據(jù)有效或?qū)憯?shù)據(jù)完成，用以連接PCI9054等待狀態(tài)產(chǎn)生器，輸入信號(hào)。
3 VeHiog HDL軟件實(shí)現(xiàn)
FPGA內(nèi)部在PCI9054本地總線LOCAL Bus基礎(chǔ)之上進(jìn)行設(shè)計(jì)；FPGA片內(nèi)RAM或FIFO可以在QUARTUSII環(huán)境下利用利用工具M(jìn)egaWizard Plug_In Manager調(diào)用功能模塊生成。單雙口、存儲(chǔ)容量、數(shù)據(jù)總線的寬度以及同步或異步自行定制。為與MCU或DSP等處理器通信，要設(shè)計(jì)RAM訪問仲裁模塊。決定某一時(shí)刻對(duì)RAM訪問的主方；PCI9054支持單周期、突發(fā)和DMA傳輸，在FPGA內(nèi)部要設(shè)計(jì)本地端總線控制模塊，實(shí)現(xiàn)局部總線的狀態(tài)控制，同時(shí)產(chǎn)生FPGA片內(nèi)RAM的讀寫時(shí)序及地址信號(hào)。
PCI9054支持單周期、突發(fā)傳輸和DMA傳輸，因此在狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)中不僅要滿足單周期傳輸?shù)臅r(shí)序。還要兼顧突發(fā)和DMA傳輸時(shí)序。依據(jù)FCl9054的datasheet以及PCI總線協(xié)議，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖3所示：
圖3 PCI9054狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖
狀態(tài)機(jī)是控制單元的主體，接受外部信號(hào)以及數(shù)據(jù)單元產(chǎn)生的信號(hào)，產(chǎn)生控制信號(hào)序列。狀態(tài)機(jī)的關(guān)鍵是如何把一個(gè)實(shí)際的時(shí)序邏輯關(guān)系，抽象成一個(gè)時(shí)序邏輯函數(shù)。根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖．采用3個(gè)always語句．即對(duì)應(yīng)三個(gè)進(jìn)程來完成Moore狀態(tài)機(jī)。一個(gè)用于狀態(tài)機(jī)的同步時(shí)序部分，在本地時(shí)鐘clk的上升沿到來時(shí)．將nextstate狀態(tài)賦給currentstate；個(gè)用于描述狀態(tài)轉(zhuǎn)換；另一個(gè)用于描述輸出的組合邏輯。在這里重點(diǎn)闡述狀態(tài)轉(zhuǎn)換進(jìn)程，其Verilog HDL代碼簡(jiǎn)略如下所示：
always @ （lads，lblast）
begin case（currentstate）
S0：if（！ lads）
nextstate《=S1；
else
nexbtate《=S0；
S1：if（！ lblast）
nextstate《=S2；
else
nextstate《=S4；
S2： nextstate《=S3：
S3：if（！ lads）
nextstate《=Sl；
else
nextstate《=S0；
S4：nextatate《=S5；
S5：if（blast）
nextstate《=S5；
else
nextstate《=S6；
S6：if（！ lads）
nextstate《=S1；
else
nexmmte《=S0；
endcase
end
輸出組合邏輯進(jìn)程如下所示：
always @（currentstate）
case（currentstate）
SO：begin lready《=1‘b1；
ram_wr《=1’b0：
ram_rd《=1‘b0；
end
。..。..
endcase
圖4 利用QUARTUSⅡ仿真生成的State Machine圖（可與圖3對(duì)應(yīng)）
圖5 PCI9054 LOCAL Bus單周期傳輸時(shí)序圖
4 結(jié)論
利用DriverStdio開發(fā)PCI9054的驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)主機(jī)對(duì)FPGA內(nèi)部RAM的讀寫，利用示波器檢測(cè)ads，blast信號(hào)，在8位數(shù)據(jù)總線的情況下，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸率可以達(dá)到26.8Mbyte/s，接近PCI的極限傳輸速率（圖4、5所示）。本設(shè)計(jì)已經(jīng)應(yīng)用，經(jīng)實(shí)際運(yùn)行，傳輸速度快，數(shù)據(jù)正確，穩(wěn)定可靠，經(jīng)過擴(kuò)展，同時(shí)可應(yīng)用于其它需要與PCI數(shù)據(jù)總線接口的設(shè)備當(dāng)中，可縮短PCI設(shè)備的開發(fā)周期，提高工作效率。
本文創(chuàng)新點(diǎn)：利用PCI9054設(shè)計(jì)的PCI高速通信接口，采用了FPGA內(nèi)部RAM間接緩沖技術(shù)，可以與DSP，MCU等微處理器高速通信，擴(kuò)展性強(qiáng)，適用于可應(yīng)用于其它需要與PCI數(shù)據(jù)總線接口的設(shè)備當(dāng)中。
文章標(biāo)簽：
FPGA
