基于EP2SGX系列FPGA的PCI接口設計

0 引 言
??? 在現代雷達數據處理系統和其他應用系統中，傳統的ISA、EISA等總線已逐漸無法適應高速數據傳輸的要求。而PCI局部總線以其高性能、低成本、使用方便和適應性等優點成為大多數系統的主流總線。其中常用的33 MHz、32位的PCI總線尖峰傳輸速率為132 MB／s。PCI總線接口相對其他總線接口來說是比較復雜的，它有著嚴格的同步時序要求，且為了實現即插即用和自動配置，PCI總線的配置空間有許多配置寄存器需要設置。本文在簡要介紹PCI總線及其特點的基礎上，介紹了如何利用FPGA設計PCI總線的接口電路，并給出了設計PCI總線接口時應注意的一些問題。

1 PCI總線與數據傳輸規范
??? PCI總線信號可劃分為如圖1所示的幾種類型。其中64位總線擴展信號、資源鎖存信號和邊界掃描信號是可選的。

??? PCI總線上的數據傳送是基于猝發傳送的機制，一個猝發傳送包括一個地址相和一個或多個數據相。基本的PCI傳輸由FRAME#、IRDY#和TRDY#信號控制。當數據有效時，數據資源需要無條件設置xRDY#信號(寫操作為IRDY#，讀操作為TRDY#)。接收方可在適當時間發出它的xRDY#信號。FRAME#信號有效后的第一個時鐘上升沿是地址周期的開始，此時傳送地址信息和總線命令。下一個時鐘上升沿開始一個(或多個)數據周期，當IRDY#和TRDY#同時有效時，數據在主、從設備之間傳送。在此期間，可由主設備或從設備分別利用IRDY#和TRDY#的無效而插入等待周期。PCI總線傳輸包含讀、寫和中止3個內容，圖2和圖3所示的時序圖顯示了PCI總線讀、寫操作的傳輸過程。

2 設計考慮及芯片選擇
??? 目前PCI接口主要有2種實現方式：使用專用接口芯片和采用可編程器件。專用芯片如PLX公司的9050等，專用芯片可以實現完整的PCI主控模塊和目標模塊接口功能，將復雜的PCI總線接口轉換為相對簡單的用戶接口。缺點是缺少靈活性，用戶可能只用到了部分的PCI接口功能，造成了一定的邏輯資源浪費。采用FPGA的優點在于其靈活的可編程性，首先PCI接口可以依據插卡功能進行最優化設計，而不必實現所有的PCI功能，可以節約系統的邏輯資源。其次可以將PCI插卡上的其他用戶邏輯與PCI接口邏輯集成在一個芯片上，實現緊湊設計。再者當系統升級時，只需對可編程器件重新進行邏輯設計，而無需更新PCB版圖。

?? PCI總線是同步總線，時序要求比較嚴格，比如：Tval最大為11 ns，Tprop最大為10 ns，Tsu最小為7 ns，Th為0 ns，此外，PCI總線接口還需要一定數量的宏單元和I／0引腳。在本設計中，為了同時實現光纖數據傳輸等其他的邏輯功能，選用了ALTERA公司StratixIIGX系列中型號為EP2SGX90EF1152的一款FPGA芯片。該芯片主要性能如下：片內90 960個邏輯單元；4．5 Mb的RAM資源；支持12路高速串行收發器通道，每路傳輸速率高達6．375 Gb／s；接口電平支持：LVTTL、LVDS、LVPECL。3．3－V PCI等眾多I／O標準。EP2SGX系列芯片內部有專門支持PCI電氣特性的區域(Bank)，非常適合于PCI接口的開發。

3 PCI接口設計實現
??? 本設計利用ALTERA公司的QuartusIl7．2軟件和硬件描述語言，采用自頂向下的設計方法進行PCI接口的邏輯設計，并利用QuartusII軟件對設計進行了功能和時序仿真。
??? 設計的具體流程如下：首先從總體上考慮：PCI接口作為一個功能模塊，嵌入在FPGA內部，內側面向用戶邏輯，外側通過芯片的I／O管腳與PCI總線相連。在用戶端，需要把復雜的PCI總線命令轉換為便于用戶使用的類似ISA總線的命令格式，把地址線與數據線分離，并產生單獨的讀寫控制信號。其次，根據總體要求，進行頂層設計和內部模塊劃分。最后，對具體的功能模塊用軟件編程實現并進行功能仿真。
??? 本設計中PCI接口的總體框圖如圖4所示。由圖4可知，PCI接口主要由地址／命令鎖存和譯碼、內部通信、外部通信和總線狀態機、中斷處理等模塊組成。

3．1 地址／命令鎖存和譯碼
??? 由于PCI總線為地址和數據復用型總線，在使用中需將地址和數據進行分離，首先要對PCI總線上的32位地址／數據總線鎖存。譯碼是對來自主機的PCI總線命令信號CBE[3．．0]和IDSEL信號進行識別，并相應地向內部邏輯發出配置空間讀寫操作、I／O讀寫操作、存儲器讀寫操作等信號。
3．2 外部通信
??? 外部通信接口主要完成對PCI總線的應答，并發出相應的信號。對于瀆寫操作，接口發出DEVSEL#信號響應PCI的FRAME#信號，完成握手。PCI協議規定了在交易期間對地址／數據總線和命令／字節使能總線進行奇偶校驗。讀交易期間，接口被要求驅動PAR信號線；寫交易期間，目標將計算AD[31．．0]和CBE[3．．0]上的奇偶性，并把PERR信號送給PCI。
3．3 內部通信
??? 內部通信接口主要產，豐面向用戶端，便于用戶使用的一信號，包括復位信號、分離的讀和寫信號、地址總線、32位的數據讀寫總線。
3．4 總線狀態機
??? 該模塊足本設計的關鍵部分，其主要功能是根據PCI協議產生總時序來控制總線交易?？偩€狀態機包含的狀態主要有總線空閑狀態、總線?？繝顟B、主設備數據傳輸狀態、從設備數據傳輸狀態、配置空間讀寫狀態、目標I／O空間讀寫狀態、主設備讀寫狀態、總線翻轉狀態、數據傳輸終止狀態等。以上各狀態主要依據輸入的PCIRST、FRAME#、IDSEL、CBE [3．．0 ]、GNT#、IRDY#、TRDY#、STOP#等信號變化進行狀態轉換。
3．5 中斷處理
??? 本模塊主要實現各種外部中斷源的輸入處理、中斷允許寄存器和中斷狀態寄存器的控制和管理、INTA#信號的輸出處理等。

4 工具軟件在PCI總線調試中的使用
??? 在板卡的調試過程中使用了WinDriver軟件，該軟件是美國Jungo公司出品用于編寫驅動程序的一種工具，是主要針對PCI、ISA、USB的一種開發工具。該軟件對于調試PCI板卡很方便。用戶不需要復雜的編程就能控制PCI沒備進行讀寫操作，從而在硬件剛設計調試時，就能測試板卡性能的好壞，可測試的功能具體包括VenderID、Device ID的識別、基地址的分配、中斷的分配、I／O端口的讀寫測試等。

另外，在調試過程中還利用了Quartus軟件自帶的SignalTap嵌入式邏輯分析儀軟件。該工具軟件只需要通過編程電纜將JTAG口與調試計算機連接后，便可在線采集各種信號波形，驗證邏輯設計是否正確。

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5 PCI接口板卡設計體會
??? 設計的CPCI板卡經過多次試驗和測試，驗證了配置空間訪問、I／O空間訪問、外部中斷等功能均正確。目前已經成功應用于產品中，下面簡要介紹設計開發過程中的一些體會。
??? (1)PCI接口在板卡設計中需注意的問題
??? ①板卡上的一些信號都必須在靠近連接器J1的地方串行放置阻值為10 Ω的終端電阻。必須端接電阻的信號有：AD[31：0]、C／BE[3：0]、PAR、FRAME#、IRDY#、TRDY#、STOP#、LOCK#、IDSEL#、DEVSEL#、PERR#、SERR#、RST#、INTA#。電阻應放置在距PCI信號連接器引腳15．2 mm以內，以減少信號經過板卡端接后對背板的影響。不需要使用終端電阻的信號有：CLK，REQ#和GNT#。在實際設計中，必須按以上要求將信號進行端接處理，否則PCI總線會工作不正常。
??? ②從連接器J1到端接電阻的信號線的長度不應超過15．2 mm。
??? ③從連接器兒經端接電阻到FPGA的信號線的長度不應超過38．1 mm。
??? (2)配置空間的簡化設計
??? PCI總線的配置空間為2,56個字節。在設計中，只需對用到的參數進行配置。一般對VenderID、DeviceID、CommandStatus、RevisicmID、ClassCode、HeaderType、InterruptLine及InterruptPin等寄存器進行配置即可滿足大多場合下的使用要求。
??? (3)總線命令的簡化設計
??? PCI規范中規定了16種總線命令，設計者只需塒其中有用的命令進行響應即可?？偩€命令的簡化可減少總線對話的種類，從而可減少硬件沒計的復雜性。一般來說，只要有配置空間讀寫、I／O空間讀寫及存儲器的讀寫，便可滿足一般的使用。

6 結束語
??? 本文介紹了在StratixⅡGX系列FPGA上實現PCI接口的設計技術，具有較強的靈活性，可以方便地移植到其他可編程器件上，有一定的通用性。隨著計算機技術的不斷發展，計算機總線在PCI總線基礎上逐漸發展為更高帶寬和頻率的PCI-X總線和擁有2．5G傳輸速率的PCI-Express總線。從當前發展趨勢來看，PCI-Express總線正得到越來越廣泛的應用，必將成為下一代的總線標準。