基于CPLD的單片機(jī)PCI接口設(shè)計(jì)

1 PCI接口設(shè)計(jì)原理

1.1 PCI總線協(xié)議簡介

這里只討論PCI總線2.0協(xié)議，其它協(xié)議僅僅是在2.0的基礎(chǔ)上作了一些擴(kuò)展，僅就單片機(jī)與PCI設(shè)備間的通信來說，意義不大。PCI總線是高性能局部總線，工作頻率0～33MHz，可同時(shí)支持多組外圍設(shè)備。在這里，我們只關(guān)心單片機(jī)與一個(gè)PCI設(shè)備間通信的情況，而且是以單片機(jī)與CPLD一方作為主控方，另一方作為PCI從設(shè)備。這樣做的目的是為了簡化問題，降低系統(tǒng)造價(jià)。

PCI總線上信號(hào)線雖多，但并不是每個(gè)信號(hào)都要用到。實(shí)際上PCI設(shè)備也并不會(huì)支持所有的信號(hào)線，比如錯(cuò)誤報(bào)告信號(hào)PERR與SERR在網(wǎng)卡中就不支持。我們可以針對(duì)具體的應(yīng)用選擇支持其中部分信號(hào)線，還有一些信號(hào)線可以直接連電源或接地。下面簡單介紹一下常用信號(hào)線的功能。

AD[31～0]：地址數(shù)據(jù)多路復(fù)用信號(hào)。在FRAME有效的第一個(gè)周期為地址，在IRDY與TRDY同時(shí)有效的時(shí)候?yàn)閿?shù)據(jù)。

C/BE[3～0]：總線命令與字節(jié)使能控制信號(hào)。在地址其中傳輸?shù)氖强偩€命令；在數(shù)據(jù)期內(nèi)是字節(jié)使能控制信號(hào)，表示AD[31～0]中那些字節(jié)是有效數(shù)據(jù)。表1是總線命令編碼的說明。

PCI總線上所有的數(shù)據(jù)傳輸基本上都由以下三條信號(hào)線控制。

FRAME：幀周期信號(hào)。由主設(shè)備驅(qū)動(dòng)，表示一次訪問的開始和持續(xù)時(shí)間，F(xiàn)RAME有效時(shí)（0為有效，下同），表示數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行中，失效后，為數(shù)據(jù)傳輸最后一個(gè)周期。

IRD：主設(shè)備準(zhǔn)備好信號(hào)。由主設(shè)備驅(qū)動(dòng)，表示主設(shè)備已經(jīng)準(zhǔn)備好進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

TRDY：從設(shè)備準(zhǔn)備好信號(hào)。由從主設(shè)備驅(qū)動(dòng)，表示從設(shè)備已經(jīng)準(zhǔn)備好進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)IRDY與TRDY同時(shí)有效時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸才會(huì)真正發(fā)生。

另外，還有IDSEL信號(hào)用來在配置空間讀寫期間作為片選信號(hào)。對(duì)于只有一個(gè)PCI從設(shè)備的情況，它總可以接高電平。IDSEL信號(hào)由從設(shè)備驅(qū)動(dòng)，表示該設(shè)備已成為當(dāng)前訪問的從設(shè)備，可以不理會(huì)。

在PCI總線上進(jìn)行讀寫操作時(shí)，PCI總線上的各種信號(hào)除了RST、IRQ、IRQC、IRQ之外，只有時(shí)鐘的下降沿信號(hào)會(huì)發(fā)生變化，而在時(shí)鐘上升沿信號(hào)必須保持穩(wěn)定。

1.2 CPLD設(shè)計(jì)規(guī)劃

出于對(duì)單片機(jī)和CPLD處理能力和系統(tǒng)成本的考慮，下面的規(guī)劃不支持PCI總線的線性突傳輸?shù)刃枰B續(xù)幾個(gè)數(shù)據(jù)周期的讀寫方式，而僅支持一個(gè)址周期加一個(gè)數(shù)據(jù)周期的讀寫方式。對(duì)于大部分應(yīng)用而言，這種方式已經(jīng)足夠了。 在CPLD內(nèi)設(shè)有13個(gè)8位寄存器用來保存進(jìn)行一次PCI總線讀寫時(shí)所需要的數(shù)據(jù)，其中pci_address0～pci_address3是讀寫時(shí)的地址數(shù)據(jù)；pcidatas0～pci_datas3是要往PCI設(shè)備寫的數(shù)據(jù)；pci_cbe[3～0]保存[NextPage]本文相關(guān)DataSheet：MAX7000 EPM7128地址周期時(shí)的總線命令，PCI_cbe[7～4]保存數(shù)據(jù)周期時(shí)的字節(jié)使能命令；pci_data0～pci_data3保存從PCI設(shè)備返回的數(shù)據(jù)；pci_request是PCI總線讀寫操作狀態(tài)寄存器，用于向單片機(jī)返回一些信息。當(dāng)單片機(jī)往pci_cbe寄存器寫入一個(gè)字節(jié)的時(shí)候，會(huì)復(fù)位CPLD中的狀態(tài)機(jī)，觸發(fā)CPLD進(jìn)行PCI總線的讀寫操作；單片機(jī)則通過查詢pci_request寄存器得知讀寫操作完成，再從pci_data寄存器讀出PCI設(shè)備返回的數(shù)據(jù)。

CPLD中狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖3所示。每一個(gè)狀態(tài)對(duì)應(yīng)FRAME與IRD信號(hào)的一種輸出，而其它輸入輸出信號(hào)線可由這兩個(gè)信號(hào)線和pci_cbe的值及TRDY的狀態(tài)決定。當(dāng)FRAME為有效時(shí)，AD[31～0]由pci_address驅(qū)動(dòng)，而C/BE[3～0]由pci_cbe低4位驅(qū)動(dòng)；當(dāng)IRDY有效時(shí)，C/BE[3～0]視總線命令，要么由pci_cbe高4位驅(qū)動(dòng)，要么設(shè)為高阻態(tài)，而AD[31～0]在pci_cbe[0]為“0”時(shí)，（PCI讀命令）設(shè)為高阻態(tài)，而在pci_cbe[0]為“1”時(shí)（PCI讀命令）由pci_datas驅(qū)動(dòng)。另外一方面，一旦TRDY信號(hào)線變?yōu)榈碗娖剑珹D[31～0]線上的數(shù)據(jù)被送入pci_data寄存器，而C/BE[3～0]線上的數(shù)據(jù)被送入pci_request寄存器的低4位。

考慮到在不正常情況下，PCI設(shè)備不會(huì)對(duì)PCI總線作出響應(yīng)，即TRDY不會(huì)有效，為了不使?fàn)顟B(tài)機(jī)陷入狀態(tài)S2的僵持局面，另外增設(shè)了一個(gè)移位計(jì)數(shù)器mycounter。當(dāng)IRD信號(hào)有效時(shí)，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)溢出之后，不論P(yáng)CI總線操作是否完成，狀態(tài)機(jī)都會(huì)從狀態(tài)S2轉(zhuǎn)移到狀態(tài)S3，即結(jié)束PCI總線操作。當(dāng)TRDY有效時(shí)，會(huì)立即置位mycounter.cout。

PCI總線操作是否正確完成，可查詢pci_request的最高位是否為“1”，而IRDY與FRAME的值可分別查詢pci_request的第4位和第5位。這兩位反映了PCI總線操作所處的狀態(tài)，兩位都為“1”時(shí)可以認(rèn)為PCI總線操作已經(jīng)完成。在實(shí)踐中，如果單片機(jī)的速度不是足夠快的話，可以認(rèn)為PCI總線操作總是即時(shí)完成的。這幾位的實(shí)現(xiàn)可參考源程序。

2 PCI設(shè)計(jì)接口實(shí)現(xiàn)

2.1 CPLD ABEL HDL程序設(shè)計(jì)

我們針對(duì)8位單片機(jī)控制PCI以太網(wǎng)卡進(jìn)行了程序設(shè)計(jì)，CPLD器件選用ALTERA的MAX7000系列。針對(duì)以太網(wǎng)卡的特點(diǎn)在邏輯上進(jìn)行了再次簡化，最張程序?qū)⑦m配進(jìn)EPM7128芯片中，并在實(shí)踐中檢驗(yàn)通過。

以太網(wǎng)卡僅支持對(duì)配置空間和I/O空間的讀寫操作，而且這兩個(gè)空間的地址都可以設(shè)置在0xFF以內(nèi)，所以可以只用一個(gè)pci_address0寄存器，其它地址都直接設(shè)為“0”；如果再限制，每次只往網(wǎng)卡寫入一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，則可以只用一個(gè)pci_datas0寄存器，其它數(shù)值在具體操作時(shí)設(shè)成與pci_datas0寄存器的一樣即可。

以下是ABEL HDL主要源碼。其中16dmux是4～16位譯碼器，用于地址譯碼，選通CPLD內(nèi)的寄存器；8dffe是8位的DFFE；abelcounter是8位移位計(jì)數(shù)器；mylatch8與mylatch1分別為8位與1位鎖存器，而mylatchc是帶清零1位鎖存器；其它以“my”開始的變量都是三態(tài)緩沖器，以“out”開始的變量是三態(tài)節(jié)點(diǎn)，以“e”開始的變量是普通節(jié)點(diǎn)。這此在程序中不再聲明。
SUBDESIGN abelpci
（
P2[7..3] : INPUT;
READ0 : INPUT
WRITE0 : INPUT;
P0[7..0] : BIDIR;
CLK : INPUT;
TRDY0 : INPUT;
AD[31..] : BIDIR;
CBE[3..0] : BIDIR;
IRDY0 : OUTPUT;
FRAME0 : OUTPUT;
)