FPGA：PCI項目

FPGA 是功能強大的 PCI 開發平

臺，這要歸功于其可重新編程性和運行速度。

// Very simple PCI target

// Just 3 flip-flops for the PCI logic, plus one to hold the state of an LED

module PCI(CLK, RSTn, FRAMEn, AD, CBE, IRDYn, TRDYn, DEVSELn, LED);

input CLK, RSTn, FRAMEn, IRDYn;

input [31:0] AD;

input [3:0] CBE;

inout TRDYn, DEVSELn;

output LED;

parameter IO_address = 32'h00000200;   // we respond to an "IO write" at this address

parameter CBECD_IOWrite = 4'b0011;

////////////////////////////////////////////////////

reg Transaction;

wire TransactionStart = ~Transaction & ~FRAMEn;

wire TransactionEnd = Transaction & FRAMEn & IRDYn;

wire Targeted = TransactionStart & (AD==IO_address) & (CBE==CBECD_IOWrite);

wire LastDataTransfer = FRAMEn & ~IRDYn & ~TRDYn;

always @(posedge CLK or negedge RSTn)

if(~RSTn) Transaction <= 0;

else

case(Transaction)

  1'b0: Transaction <= TransactionStart;

  1'b1: Transaction <= ~TransactionEnd;

endcase

reg DevSelOE;

always @(posedge CLK or negedge RSTn)

if(~RSTn) DevSelOE <= 0;

else

case(Transaction)

  1'b0: DevSelOE <= Targeted;

  1'b1: if(TransactionEnd) DevSelOE <= 1'b0;

endcase

reg DevSel;

always @(posedge CLK or negedge RSTn)

if(~RSTn) DevSel <= 0;

else

case(Transaction)

  1'b0: DevSel <= Targeted;

  1'b1: DevSel <= DevSel & ~LastDataTransfer;

endcase

assign DEVSELn = DevSelOE ? ~DevSel : 1'bZ;

assign TRDYn = DevSelOE ? ~DevSel : 1'bZ;

wire DataTransfer = DevSel & ~IRDYn & ~TRDYn;

reg LED; always @(posedge CLK) if(DataTransfer) LED <= AD[0];

endmodule

module PCI_RAM( PCI_CLK, PCI_RSTn, PCI_FRAMEn, PCI_AD, PCI_CBE, PCI_IRDYn, PCI_TRDYn, PCI_DEVSELn );
input PCI_CLK, PCI_RSTn, PCI_FRAMEn, PCI_IRDYn;
inout [31:0] PCI_AD;
input [3:0] PCI_CBE;
output PCI_TRDYn, PCI_DEVSELn;

parameter IO_address = 32'h00000200;   // 0x0200 to 0x23F
parameter PCI_CBECD_IORead = 4'b0010;
parameter PCI_CBECD_IOWrite = 4'b0011;

然后，我們通過“PCI_Transaction”寄存器跟蹤公交車上發生的事情。
“PCI_Transaction”在進行任何交易時被斷言，無論是對我們，還是對公共汽車上的任何其他卡。

reg PCI_Transaction;

wire PCI_TransactionStart = ~PCI_Transaction & ~PCI_FRAMEn;
wire PCI_TransactionEnd = PCI_Transaction & PCI_FRAMEn & PCI_IRDYn;

always @(posedge PCI_CLK or negedge PCI_RSTn)
if(~PCI_RSTn) PCI_Transaction <= 0;
else
case(PCI_Transaction)
  1'b0: PCI_Transaction <= PCI_TransactionStart;
  1'b1: PCI_Transaction <= ~PCI_TransactionEnd;
endcase

// We respond only to IO reads/writes, 32-bits aligned
wire PCI_Targeted = PCI_TransactionStart & (PCI_AD[31:6]==(IO_address>>6)) & (PCI_AD[1:0]==0) & ((PCI_CBE==PCI_CBECD_IORead) | (PCI_CBE==PCI_CBECD_IOWrite));

// When a transaction starts, the address is available for us to register
// We just need a 4 bits address here
reg [3:0] PCI_TransactionAddr;
always @(posedge PCI_CLK) if(PCI_TransactionStart) PCI_TransactionAddr <= PCI_AD[5:2];

現在，再增加幾個寄存器，以便能夠聲明交易并記住它是讀取還是寫入

wire PCI_LastDataTransfer = PCI_FRAMEn & ~PCI_IRDYn & ~PCI_TRDYn;

// Is it a read or a write?
reg PCI_Transaction_Read_nWrite;
always @(posedge PCI_CLK or negedge PCI_RSTn)
if(~PCI_RSTn) PCI_Transaction_Read_nWrite <= 0;
else
if(~PCI_Transaction & PCI_Targeted) PCI_Transaction_Read_nWrite <= ~PCI_CBE[0];

// Should we claim the transaction?
reg PCI_DevSelOE;
always @(posedge PCI_CLK or negedge PCI_RSTn)
if(~PCI_RSTn) PCI_DevSelOE <= 0;
else
case(PCI_Transaction)
  1'b0: PCI_DevSelOE <= PCI_Targeted;
  1'b1: if(PCI_TransactionEnd) PCI_DevSelOE <= 1'b0;
endcase

讓我們認領交易。

// PCI_DEVSELn should be asserted up to the last data transfer
reg PCI_DevSel;
always @(posedge PCI_CLK or negedge PCI_RSTn)
if(~PCI_RSTn) PCI_DevSel <= 0;
else
case(PCI_Transaction)
  1'b0: PCI_DevSel <= PCI_Targeted;
  1'b1: PCI_DevSel <= PCI_DevSel & ~PCI_LastDataTransfer;
endcase

最后，RAM本身被寫入或讀取，PCI_AD總線相應地驅動。

// PCI_TRDYn is asserted during the whole PCI_Transaction because we don't need wait-states
// For read transaction, delay by one clock to allow for the turnaround-cycle
reg PCI_TargetReady;
always @(posedge PCI_CLK or negedge PCI_RSTn)
if(~PCI_RSTn) PCI_TargetReady <= 0;
else
case(PCI_Transaction)
  1'b0: PCI_TargetReady <= PCI_Targeted & PCI_CBE[0]; // active now on write, next cycle on reads
  1'b1: PCI_TargetReady <= PCI_DevSel & ~PCI_LastDataTransfer;
endcase

// Claim the PCI_Transaction
assign PCI_DEVSELn = PCI_DevSelOE ? ~PCI_DevSel : 1'bZ;
assign PCI_TRDYn = PCI_DevSelOE ? ~PCI_TargetReady : 1'bZ;

wire PCI_DataTransferWrite = PCI_DevSel & ~PCI_Transaction_Read_nWrite & ~PCI_IRDYn & ~PCI_TRDYn;

// Instantiate the RAM
// We use Xilinx's synthesis here (XST), which supports automatic RAM recognition
// The following code creates a distributed RAM, but a blockram could also be used (we have an extra clock cycle to get the data out)
reg [31:0] RAM [15:0];
always @(posedge PCI_CLK) if(PCI_DataTransferWrite) RAM[PCI_TransactionAddr] <= PCI_AD;

// Drive the AD bus on reads only, and allow for the turnaround cycle
reg PCI_AD_OE;
always @(posedge PCI_CLK or negedge PCI_RSTn)
if(~PCI_RSTn) PCI_AD_OE <= 0;
else
  PCI_AD_OE <= PCI_DevSel & PCI_Transaction_Read_nWrite & ~PCI_LastDataTransfer;

// Now we can drive the PCI_AD bus
assign PCI_AD = PCI_AD_OE ? RAM[PCI_TransactionAddr] : 32'hZZZZZZZZ;

endmodule

現在我們可以讀寫PCI卡了！

設計注意事項

1. 不使用 PCI_CBE 字節啟用，因此軟件應該只發出 32 位交易，對齊。

2. 您可能會驚訝地發現，PCI“PAR”信號（總線奇偶校驗）也沒有使用。
   雖然 PAR 生成是 PCI 合規性所必需的，但它的檢查可能不是因為我可以訪問的 PC 在沒有它的情況下工作正常...... 由于我無法在真實硬件中測試它，所以我省略了它。

3. 上面的代碼支持突發傳輸，但當前的 PC 網橋似乎不會發出突發（至少對于 IO 空間）。 x86 處理器支持突發 IO 指令 （REP IN/OUTS），但它們最終被分解為 PCI 總線上的單個事務。 此外，我不確定突發 IO 是否需要自動遞增 IO 地址，特別是因為 REP INS/OUTS 指令不需要。
   但是，由于不遞增對時間有很好的影響（更多細節見下文），因此我以這種方式保留了代碼。

發出 IO 讀/寫事務

在 PC 上，使用 x8086“IN”和“OUT”處理器指令發出 IO 事務。
某些編譯器沒有對這些函數的本機支持，因此您可能必須使用內聯匯編程序函數。下面是 Visual C++ 的示例：

void WriteIO_DWORD(WORD addr, DWORD data)
{
  __asm
  {
    mov dx, addr
    mov eax, data
    out dx, eax
  }
}

DWORD ReadIO_DWORD(WORD addr)
{
  __asm
  {
    mov dx, addr
    in eax, dx
  }
}

GUI PCI IO 訓練器軟件

您可以使用這個簡單的 IOtest 應用程序在 PC 上發出 32 位 IO 讀取和寫入。
這直接適用于 Win98/Me。 確保 GiveIO 或 UserPort 在 WinXP/2K 上運行。 有一點很重要：可用空間在讀取時返回0xFFFFFFFF。

時序注意事項

請記住，PCI 需要：

• 輸入端7ns/0ns Tsu/Th（建立/保持）約束

• 輸出端 11ns Tco（時鐘至輸出）

大多數PCI內核都非常復雜，如果不在IO塊中注冊輸入，就不可能滿足Tsu的要求。 如果不對輸出做同樣的事情，也很難滿足 TCO。
但這些寄存器會增加設計延遲。 上面的代碼非常簡單，不需要 IO 塊寄存器。

該代碼使用 Dragon 開發板和 Xilinx 的 ISE 軟件進行了測試。
它給出了類似的東西：

基本滿足了時鐘頻率（103MHz對33MHz）。
Tsu 在 PCI_DEVSELn 和 PCI_TRDYn 信號上以很大的優勢（5.556ns 對 7ns）滿足，而 Tco 幾乎沒有滿足（10.932ns 對 11ns）。
如果必須在突發讀取時自動遞增 IO 地址，則 AD 總線上不會滿足 Tco。 由于地址是靜態的，并且（僅用于讀取周期）PCI總線在地址階段之后需要一個周轉周期，因此數據有一個額外的時鐘周期來準備。 如果沒有它，TCO約為13ns，因此高于最大11ns。 但是有了額外的時鐘周期，我們實際上以 28ns 的松弛（=余量）來滿足時序，這非常舒適。

唯一未滿足的時序是輸入保持時間（0nS），希望它足夠低（對于最嚴重的違規者為0.3nS）。 但 Xilinx 不支持限制保持時間的方法，可能是因為使用 IO 塊寄存器可以“按設計”（FPGA 的）保證 0ns 保持時間。

現在我們可以在總線上發出讀寫事務，那么“查看”事務的實際情況不是很有趣嗎？

這是用 Dragon 捕獲的一個非常簡單的交易。

在地址階段，CBE 0x3，這意味著“IO 寫入”。
它是地址0x00000000的 IO 寫入，數據0x0200。

FPGA 作為 PCI 邏輯分析儀

能夠看到總線運行可能很有趣：

• 更好地了解其操作。

• 檢查事務內和事務之間的總線延遲。

• 進行事后分析（如果您的 PCI 內核存在功能問題）。

查看信號通常需要昂貴的設備，如總線擴展器和邏輯分析儀。 這可能很棘手，因為PCI規范不允許每個PCI信號（當然每個PCI卡）上有一個以上的IO負載。 這是因為總線對容性負載或線短截線很敏感，這些負載或短截線會使高速信號失真。

但是，FPGA不能像邏輯分析儀一樣工作嗎？

FPGA已經連接到總線，并具有內部存儲器，可用于實時捕獲總線操作。 Dragon 還有一個 USB 接口，可用于轉儲 PCI 捕獲，而不會干擾 PCI 接口實現，即使 PCI 總線“死機”。

FPGA 還可以輕松創建復雜的觸發條件，這些條件將比大多數邏輯分析儀更智能......如果要在地址 17x0 進行第二次讀取后捕獲第 1234 次寫入，該怎么辦？

捕獲 PCI 信號

我們在這里構建了一個“狀態”（=同步）邏輯分析器。

捕獲的信號是：

wire [47:0] dsbr = {   PCI_AD,   PCI_CBE, PCI_IRDYn, PCI_TRDYn, PCI_FRAMEn, PCI_DEVSELn,   PCI_IDSEL, PCI_PAR, PCI_GNTn, PCI_LOCKn, PCI_PERRn, PCI_REQn, PCI_SERRn, PCI_STOPn};

只有 48 個信號！
很好，如果我們選擇 3 個時鐘的深度，則非常適合 256 個塊。

實現起來很簡單：一旦設置了觸發條件，一個 8 位計數器開始為模塊提供信號，另一個計數器允許 USB 讀取模塊數據。 還添加了邏輯，以允許一定程度的預觸發采集 - Dragon 板文件中的詳細信息。

blockram 輸出按此順序多路復用至 USB 控制器

case(USB_readaddr[2:0])   3'h0: USB_Data <= bro[ 7: 0];   3'h1: USB_Data <= bro[15: 8];   3'h2: USB_Data <= bro[23:16];   3'h3: USB_Data <= bro[31:24];   3'h4: USB_Data <= bro[39:32];   3'h5: USB_Data <= bro[47:40];   3'h6: USB_Data <= 8'h01;  // padding, added for ease of implementation   3'h7: USB_Data <= 8'h02;  // padding, added for ease of implementation endcase

最后，使用 USB 批量讀取命令，采集數據并將其保存到“.pciacq”文件中以供進一步分析。

PCI總線查看器

用于查看“.pciacq”文件的軟件可以在這里下載。

包括一個示例“.pciacq”文件，該文件是此事務列表的結果捕獲：

ReadIO_DWORD( 0x200 ); ReadIO_DWORD( 0x204 ); ReadIO_DWORD( 0x208 ); ReadIO_DWORD( 0x210 ); WriteIO_DWORD( 0x204, 0x12345678 ); WriteIO_DWORD( 0x208, 0x87654321 ); WriteIO_DWORD( 0x210, 0xDEADBEEF ); ReadIO_DWORD( 0x200 ); ReadIO_DWORD( 0x204 ); ReadIO_DWORD( 0x208 ); ReadIO_DWORD( 0x210 );

該軟件如下所示： 一件有趣的事情：


在讀取周轉周期中，AD 總線顯示上一次讀取的數據......

既然讀寫訪問正在進行中，那么PCI即插即用需要什么才能工作？



我們的PCI卡還沒有在列表中...

配置空間

還記得PCI卡有三個“空間”嗎？

1. 內存空間

2. IO 空間

3. 配置空間

配置空間是PCI即插即用的核心。 操作系統（Windows、Linux等）首先讀取該信息，以查找是否插入了PCI卡及其特性。

對于簡單的電路板，配置空間僅包含 64 個字節。 它們的重要領域是：

抵消	名字	功能	注意	長度
0	供應商 ID	指定生產商	...由 PCI-SIG 分配	2 字節
2	設備 ID	設備編號	...由制造商自己分配	2 字節
4	命令	打開和關閉對PCI板的訪問	...但配置空間訪問始終處于打開狀態	2 字節
16	BAR0（基址寄存器 0）	PCI板應響應的地址	...后跟 BAR1 到 BAR5	每個 4 個字節

通過在這些位置實現正確的值和寄存器，操作系統可以“找到”PCI卡。

配置空間事務

每個PCI插槽都作為稱為IDSEL的信號。 IDSEL 信號不沿總線共享;每個PCI插槽都有自己的插槽。
當 PCI 卡在總線上看到配置空間事務，并且斷言其自己的 IDSEL 時，它知道它應該響應。

parameter PCI_CBECD_CSRead = 4'b1010;   // configuration space read parameter PCI_CBECD_CSWrite = 4'b1011;   // configuration space write wire PCI_Targeted = PCI_TransactionStart & PCI_IDSEL & ((PCI_CBE==PCI_CBECD_CSRead) | (PCI_CBE==PCI_CBECD_CSWrite)) & (PCI_AD[1:0]==0);

之后，它可以是讀取或寫入，但它的工作方式與內存或 IO 空間相同。

一些細節：

• 對于供應商 ID，我們只需選擇一個數字;我們只是在實驗，對吧？好的，0x0100工作正常。

• 設備 ID 可以保留為 0

• 命令位 0 是 IO 空間的“開/關”位，而位 1 是內存空間的“開/關”位。

• BAR0 是操作系統寫入的寄存器，一旦它決定 PCI 卡應該位于哪個地址。

還有一些其他細節被遺漏了，比如 BAR0 的某些部分是只讀的......
請參閱 PCI 規范/書籍，了解實際細節。

Windows 即插即用

實現這些寄存器后，操作系統可以發現新硬件。




但是操作系統需要驅動程序才能...




。它同意分配內存資源。

現在我們需要PCI卡的驅動程序，有兩種方法可以獲取它。

簡單的方法

簡單的方法就是讓別人為你做艱苦的工作！

查看 WinDriver。
這是一個商業工具包，可以在幾分鐘內為您構建 PCI 即插即用驅動程序解決方案。

它的工作原理是這樣的：

• 運行一個向導來檢測您的即插即用設備，包括 PCI 卡。

• 您選擇您感興趣的卡，為您的設備命名并創建一個“.inf”文件。

• 這足以讓 Windows 能夠識別硬件并說服他應該使用 WinDriver 的驅動程序。 退出向導，然后通過 Windows 的即插即用硬件檢測來安裝驅動程序。

• 安裝驅動程序后，再次運行向導，這次是生成一些示例源代碼來訪問 PCI 卡。

WinDriver 給您 30 天的試用時間。
Windriver 可能不錯，但 2000 美元，如果您只想嘗試 PCI 即插即用機制，那就太貴了。

艱難的道路

使用 Microsoft Windows DDK。

安裝 Windows DDK

最新的 Windows DDK 版本不是免費的，而早期的化身 （98/2000） 可以免費下載。
DDK 易于安裝。 對于 Win98 和 Win2000 DDK，首先安裝 Visual C++ 5.0 或 6.0，然后安裝 DDK 本身。 然后按照“install.htm”說明使用“build”命令生成一些示例驅動程序。

最低 WDM 即插即用驅動程序

以下是 Windows 設備管理器分配 PCI 卡使用的內存資源所需的最少代碼。
由于它是一個WDM驅動程序，所以它可以在WinXP/2000/98中工作。

WDM 驅動程序的入口點是“DriverEntry”函數（類似于 C 程序的“main”）。
其主要目的是發布回調函數的地址。 我們的最低驅動程序只需要 2 個。

NTSTATUS DriverEntry(PDRIVER_OBJECT DriverObject, PUNICODE_STRING RegistryPath) {   DriverObject->DriverExtension->AddDevice = DevicePCI_AddDevice;   DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_PNP] = DevicePCI_PnP;   return STATUS_SUCCESS; }

WDM 驅動程序至少創建一個“設備”（如果你的電腦有多個類似的項目，則同一 WDM 驅動程序可能會創建多個設備）。 在驅動程序可以創建設備之前，我們需要一個“設備擴展”結構。 每個設備都使用該結構來存儲信息。 我們可以讓它變得盡可能大，一個典型的設備會在其中存儲許多字段。 我們的最小設備只需要一個字段。

typedef struct {   PDEVICE_OBJECT NextStackDevice; } DevicePCI_DEVICE_EXTENSION, *PDevicePCI_DEVICE_EXTENSION;

這個“NextStackDevice”是干什么用的？WDM實現細節...
WDM 設備處理 IRP（“I/O 請求數據包”、創建/讀取/寫入/關閉...... WDM 設備不是單獨工作的，而是組裝在設備的邏輯“堆?！敝?。 IRP 請求沿堆棧發送，并在途中進行處理。 堆棧是從下到上創建的（底部=硬件層，頂部=邏輯層）。 創建堆棧時，每個設備都會將自身附加到正下方的設備。 設備通常將有關設備的信息存儲在設備擴展的正下方，以便以后可以轉發 IRP 請求。 設備并不真正知道它在堆棧中的位置，它只是在請求到來時處理或轉發請求。

無論如何，現在我們可以實現DevicePCI_AddDevice。
它創建一個設備對象，并將設備附加到設備堆棧。

NTSTATUS DevicePCI_AddDevice(PDRIVER_OBJECT DriverObject, PDEVICE_OBJECT pdo) {   // Create the device and allocate the "Device Extension"   PDEVICE_OBJECT fdo;   NTSTATUS status = IoCreateDevice(DriverObject, sizeof(DevicePCI_DEVICE_EXTENSION), NULL, FILE_DEVICE_UNKNOWN, 0, FALSE, &fdo);   if(!NT_SUCCESS(status)) return status;   // Attach to the driver below us   PDevicePCI_DEVICE_EXTENSION dx = (PDevicePCI_DEVICE_EXTENSION)fdo->DeviceExtension;   dx->NextStackDevice = IoAttachDeviceToDeviceStack(fdo, pdo);   fdo->Flags &= ~DO_DEVICE_INITIALIZING;   return STATUS_SUCCESS; }

最后，我們可以處理即插即用 IRP 請求。
我們的最小設備僅處理START_DEVICE和REMOVE_DEVICE請求。

NTSTATUS DevicePCI_PnP(PDEVICE_OBJECT fdo, PIRP IRP) {   PDevicePCI_DEVICE_EXTENSION dx = (PDevicePCI_DEVICE_EXTENSION)fdo->DeviceExtension;   PIO_STACK_LOCATION IrpStack = IoGetCurrentIrpStackLocation(IRP);   ULONG MinorFunction = IrpStack->MinorFunction;   switch(MinorFunction)   {   case IRP_MN_START_DEVICE:     // we should check the allocated resource...     break;   case IRP_MN_REMOVE_DEVICE:     status = IRP_NotCompleted(fdo, IRP);     if(dx->NextStackDevice) IoDetachDevice(dx->NextStackDevice);     IoDeleteDevice(fdo);     break;   }   // call the device below us   IoSkipCurrentIrpStackLocation(IRP);   return IoCallDriver(dx->NextStackDevice, IRP); }

START_DEVICE請求是我們接受或拒絕內存資源的請求。 在這里，我們什么都不做，只是將請求向下轉發到堆棧中，在那里它總是被接受。



現在，我們的設備獲得了一些內存資源，但對它們不做任何事情。
為了更有用，驅動程序需要：

• 在接受內存資源之前檢查它們

• 導出設備名稱

• 實現一些“DeviceIOcontrol”以與 Win32 應用程序通信

• 處理更多 IO 請求 （“IRP”）

• ...