基于PCI總線的GP-IB接口電路設計

摘要： 主要介紹作為從設備如何根據PCI總線協議設計PCI總線接口電路，從而實現基于PCI總線的GP-IB接口電路設計，重點闡述PCI總線接口狀態機的設計。

前言

    基于PCI總線的GP-IB接口電路框圖如圖1所示，工控機采用PCI-104堆棧結構，通過PCI總線和EPLD相連，數據總線為32bit，傳輸速率為33MHz。EPLD完成PCI總線接口電路的設計和NAT9914接口芯片的控制，通過驅動芯片75160和75162完成GP-IB的接口通信。在此重點介紹EPLD內部電路設計。

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    圖1  GP-IB接口電路結構框圖

    EPLD內部電路設計

    PCI局部總線很復雜，PCI局部總線也在不斷的發展中，現在已經衍生有CPCI、PCI EXPRESS等總線標準。PCI局部總線定義的功能很強大，當然如果需要將所有的PCI局部總線的要求都能實現，購買PCI局部總線的專用集成電路或IP核是最佳選擇，因為PCI局部總線的硬件設計過于龐大，全部實現有一定的難度。如果設備只是作為從設備，根據設計要求實現起來也不是很復雜，很多功能如仲裁、邊界掃描及錯誤報告等功能就可以不用實現，甚至像奇偶校驗、重試、突發傳輸等功能也可以不用實現。

    根據GP-IB接口卡的功能，本文主要介紹在EPLD中實現PCI總線接口電路的設計，并且能夠正確操作GP-IB總線協議的控制芯片NAT9914。EPLD的容量較小，我們采用XILINX公司的XC95288XL器件，只有288個宏單元，經過設計優化，最終成功裝載。其實現原理框圖如圖2所示。

圖2  EPLD內部電路框圖

    PCI接口信號設計

    設計PCI接口信號很關鍵，PCI總線規范定義的信號很多，在設計過程中必須有所取舍。下面按照PCI總線規范的要求，根據設計電路的實際需求，設計如下接口信號：
    Rst : 上電復位信號，低電平有效。
            　　
    Clk : 時鐘信號33MHz。

    Cbe[3..0] : 命令、字節使能信號。

    Ad[31..0] : 地址、數據多路復用的三態輸入/輸出信號。

    Frame : 幀周期信號，由主設備驅動，表示當前主設備一次交易的開始和持續時間。

    Irdy : 主設備準備好信號。

    Trdy : 從設備數據準備好信號。

    Devsel : 從設備被選中響應信號。

    Inta ：從設備中斷請求，低有效。

    在設計時舍棄的信號有：Par、Stop、Perr、Serr、Req、Gnt。  

    GP-IB接口芯片控制信號設計

    根據電路要求，設計如下接口信號，用來完成對NAT9914和驅動芯片的控制，實現PCI到GP-IB接口的轉換。

    Target_clk: GP-IB接口控制芯片時鐘，本方案設計為33MHz時鐘的8分頻。

    Target_rst：復位脈沖信號，低電平復位。

    Target_ce: 讀寫使能，高電平為讀，低電平為寫。

    Target_sc：標識GP-IB接口卡作為控者，還是作為普通器件。

    Target_we：寫使能控制，低電平有效。

    Target_int_l：控制芯片中斷輸出，低電平有效。

    Target_abus：有效地址輸出。

    Target_dbus：三態數據輸入/輸出總線。
            　　
    電路優化設計

    圖2給出了PCI總線接口電路的原理框圖，由于EPLD容量較小，在設計時必須盡量減少不必要的電路設計，并對電路設計進行優化，下面給出各電路模塊的功能設計：

    譯碼電路

    PCI總線命令編碼方式有12種，在本設計中我們只實現配置讀、配置寫、存儲器讀和存儲器寫四種編碼交易類型。譯碼功能電路工作在地址周期，包括命令譯碼、地址譯碼和命令/地址鎖存等三項功能。在Frame變低的第一個時鐘周期內，譯碼電路對來自主設備的命令Cbe[3..0]進行譯碼，并向狀態機控制模塊發出是配置讀寫還是存儲器讀寫命令，同時鎖存地址。

    配置寄存器

    在PCI規范中，配置空間是一個容量為256字節并具有特定記錄結構或模型的地址空間，該空間又分為頭標區和設備有關區兩部分。在配置寄存器中不用的寄存器當CPU讀的時候,將默認為零。

    重試

    GP-IB控制芯片寄存器響應完全能夠滿足PCI規范的要求，不需要進行重試，這部分功能不再實現。

    奇偶校驗

    在BIOS中可以對奇偶校驗進行屏蔽和開放，為了減少設計的復雜性，奇偶校驗功能在EPLD中沒有實現，在BIOS中進行了屏蔽。

    NAT9914接口控制電路

    NAT9914接口控制電路主要完成內部總線到外設的時序控制。GP-IB總線接口采用的是負邏輯電平設計，考慮到EPLD的容量有限，在設計時數據傳輸不支持DMA模式，只支持單周期CPU讀寫。由于CPU讀數據時延遲較大，在對PCI狀態機設計時必須進行讀延遲等待。
            　　
    狀態機的設計與實現

    狀態機的設計是整個設計中的核心部分，它主要用來控制從設備和PCI總線的時序。在本設計方案中，配置過程的完成和存儲器的讀寫都是由狀態機來完成的。由于EPLD的容量有限，GP-IB接口芯片的讀寫速度比較慢，在設計狀態機時，不支持CPU的猝發操作。表1給出了狀態機的狀態名、狀態變量和說明，圖3給出了狀態機的流程圖。 

圖3  狀態機設計流程圖

    下面根據狀態機的流程圖給出讀、寫操作時序分析與設計要點：

    PCI規范中定義了三種讀寫操作，即Memory和I/O讀寫及配置讀寫。本方案不支持I/O讀寫,只支持Memory和配置的讀寫，下面給出Memory映射方式的單周期仿真讀寫時序。
            　　
    存儲器寫操作

    存儲器單周期寫操作時序如圖4所示，當frame為低電平時啟動讀寫操作，同時給出要寫的目標地址ad[31..0]和命令cbe[3..0]＝7，cbe等于7表示寫寄存器，從設備鎖存命令和地址到緩沖區。在第2個clk，主設備將irdy變低，同時給出數據，狀態機運行到6，鎖存數據給緩沖區，trdy、devsel由高阻變為高電平。在第3個clk，devsel變低，給出主設備應答信號，表示從設備已經響應請求，狀態機運行到7。根據寫操作，target_we、target_ce變低，并對地址進行譯碼，放在地址總線上，同時驅動數據總線，表示在對控制芯片進行寫操作。在第4個clk，檢測到目標設備的target_ready_l為低電平，表示從設備已經做好接受數據的準備，狀態機運行到8，將trdy變低。在第5個clk，狀態機運行到9，trdy變高，同時主設備將驅動irdy變高，表示一個寫周期結束。狀態機運行到初始狀態，等待下一次操作。target_ce、target_we將延遲變高，結束控制芯片寫周期。

圖4  存儲器寫周期時序

    存儲器讀操作

    存儲器單周期讀操作時序如圖5所示，當frame為低電平時啟動讀寫操作，同時給出要寫的目標地址ad[31..0]和命令cbe[3..0]＝6，從設備鎖存該命令和地址。在第2個clk，狀態機運行到6，進入讀寫等待狀態，主設備將frame變高，表示單周期模式，trdy、devsel、由高阻變為高電平。在第3個clk,狀態機運行到7，并給出應答信號devsel，檢測到target_ready_l為高電平，狀態機進入等待狀態，直到為低電平，然后運行到讀等待狀態4。在狀態機8，trdy變低，從設備將讀數據放在ad[31..0]總線上。在狀態機9，trdy變高，devsel變高，同時主設備將irdy變高，結束單周期讀操作。devsel、trdy回到高阻狀態，狀態機運行到初始狀態，準備下次操作。

圖5  存儲器讀周期時序

    結語

    本設計占用芯片的資源少，可移植性強，根據設備不同的需求可以進行設計更改，在很多測試儀器中都得到了廣泛的應用。

參考文獻：

    1．李貴山、陳金鵬，PCI局部總線及其應用，西安電子科技大學出版社，2003
    2. 候伯亨、顧新，VHDL硬件描述語言與電路設計，西安電子科技大學出版社，1997