嵌入式系統(tǒng)中PCI總線仲裁器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

pci（peripheral component interconnect）總線是現(xiàn)今最為流行的工業(yè)控制總線之一。它廣泛地應(yīng)用在計(jì)算機(jī)中，并且由于眾多廠商對(duì)pci的良好支持，使得目標(biāo)嵌入式設(shè)備中的很多解決方案都包含了pci總線。在多主設(shè)備的pci系統(tǒng)應(yīng)用中，必須對(duì)各個(gè)主設(shè)備提供仲裁授權(quán)信號(hào)。很多廠家有針對(duì)性地發(fā)布了pci仲裁邏輯的專用芯片或者集成了pci重載邏輯的專用芯片，但使用不夠靈活，為了使pci設(shè)備能夠更方便地應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)中，本文介紹了一種基于cpld（復(fù)雜可編程邏輯器件）的pci總線仲裁器的設(shè)計(jì)方法，此方法可以為系統(tǒng)量身定制適合于系統(tǒng)本身的pci總線仲裁器。而不必局限于特定的芯片要求，在體積、功能、成本等諸多方面都有很好的應(yīng)用前景。

1 pci總線仲裁簡(jiǎn)介 1.1 pci總線的仲裁原理

pci總線是一種共享式的總線，可以連接多個(gè)主設(shè)備，但由于數(shù)據(jù)傳輸?shù)莫?dú)占性，每一時(shí)刻只能由一個(gè)主設(shè)備占用總線。因此，為了有效地利用pci總線寬帶，必須設(shè)置一個(gè)總線仲裁器，按照一定的算法協(xié)調(diào)系統(tǒng)中各個(gè)主設(shè)備的操作。

每個(gè)具備主設(shè)備功能的pci設(shè)備必須提供兩個(gè)與仲裁有關(guān)的信號(hào)：req＃和gnt＃。其中req＃為請(qǐng)求總線信號(hào)，由需要發(fā)起pci傳輸事務(wù)的設(shè)備發(fā)出，gnt＃為總線授權(quán)信號(hào)，由pci總線仲裁器裁決后給出，接到gnt＃信號(hào)的pci設(shè)備將在下一次總線空閑后開始操作。

pci總線仲裁的裁決過程可以在pci傳輸期間完成，并不占用pci總線的寬帶，這稱為隱式仲裁，即需要發(fā)起pci操作的設(shè)備可以隨時(shí)發(fā)出請(qǐng)求req＃，pci仲裁器立即批準(zhǔn)該請(qǐng)求被給出gnt＃，但是真正的傳輸操作一定要等到當(dāng)前傳輸完成，即總線空閑后才可以開始，圖1描述了pci總線設(shè)備與仲裁器的關(guān)系。

1.2 pci總線仲裁規(guī)則約定

（1）仲裁器的仲裁算法必須保證所有的設(shè)備都能得到授權(quán)的機(jī)會(huì)，否則將會(huì)出現(xiàn)某個(gè)優(yōu)先級(jí)低的設(shè)備永遠(yuǎn)不能占有總線進(jìn)行事務(wù)操作的情況。

（2）如果frame無效，gnt可以在任意時(shí)間撤銷，以便服務(wù)于另一個(gè)主設(shè)備或者作為對(duì)主設(shè)備車req的響應(yīng)。

（3）如果gnt信號(hào)被撤銷但frame有信號(hào)，當(dāng)前的總線正在傳輸數(shù)據(jù)，則操作合法。

（4）如果總線不處于空閑狀態(tài)，則允許一個(gè)gnt的撤銷和另一個(gè)gnt的發(fā)生在同一個(gè)周期，如果處在空閑狀態(tài)，則要求一個(gè)gnt撤銷到下一個(gè)gnt的發(fā)出之間必須有一個(gè)時(shí)鐘周期間隔，否則可能會(huì)在ad線和par線上出現(xiàn)沖突。

（5）gnt信號(hào)的每次發(fā)出，只限于相應(yīng)的總線主控器可以使用總線進(jìn)行一次總線操作（一個(gè)frame發(fā)出到撤銷），如果該主控器需要多次總線訪問，它可以保持req信號(hào)一直有效。仲裁器會(huì)按照特定的仲裁算法來決定是否仍判給該主設(shè)備。

（6）一個(gè)主控器可以在任意時(shí)刻撤銷其req信號(hào)，req信號(hào)一旦撤銷，仲裁器將認(rèn)為該設(shè)備不再請(qǐng)求使用總線，因而撤銷其gnt信號(hào)（參考上文（1））。如果一個(gè)主控器只希望做一次總線傳輸，則它應(yīng)當(dāng)在發(fā)出frame的同一時(shí)鐘周期撤銷req。

（7）如果當(dāng)前的主控器在它的gnt信號(hào)發(fā)出后，持續(xù)16個(gè)空閑周期還沒有開始總線操作，則仲裁器視其為超時(shí)，仲裁器可以在任意時(shí)刻撤銷gnt信號(hào)，以便服務(wù)于另一個(gè)設(shè)備。

1.3 pci總線仲裁的算法

目前，應(yīng)用于pci總線仲裁的算法主要有固定優(yōu)先級(jí)算法和動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)算法兩種，在固定優(yōu)先級(jí)算法中，各個(gè)設(shè)備的優(yōu)先級(jí)是事先確定好的，仲裁器針對(duì)事先設(shè)定好的優(yōu)先級(jí)為每個(gè)設(shè)備分配使用權(quán)。這種算法的缺點(diǎn)是：一旦pci總線事務(wù)非常繁忙，優(yōu)先級(jí)高的設(shè)備會(huì)占有總線不放，將導(dǎo)致優(yōu)先級(jí)低的設(shè)備無法申請(qǐng)到總線。可見這是一種并不公平的算法，只適用于總線利用率非常低的情況，動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)算法是在每次仲裁授權(quán)后動(dòng)態(tài)改變各個(gè)設(shè)備的優(yōu)先級(jí)。在保證每個(gè)設(shè)備都有機(jī)會(huì)獲得總線的情況下，優(yōu)先級(jí)改變的算法可以是各式各樣的。最常用的是循環(huán)優(yōu)先級(jí)算法，即每次仲裁授權(quán)后將排隊(duì)中的設(shè)備優(yōu)先級(jí)加1。因其算法簡(jiǎn)單，且對(duì)大部分應(yīng)用都十分有效。本設(shè)計(jì)采用循環(huán)優(yōu)先級(jí)算法。

1.4 總線停靠

當(dāng)pci總線空閑時(shí)，一個(gè)設(shè)備從申請(qǐng)總線到被授權(quán)使用，最小也需要2個(gè)時(shí)鐘周期，這對(duì)于pci總線是一種浪費(fèi)。因此仲裁器通常選中一個(gè)最經(jīng)常占用總線的設(shè)備，pci總線空閑時(shí)將gnt＃賦予它，這叫做總線?？?。當(dāng)總線空閑時(shí)，該設(shè)備需要占用總線時(shí)可馬上得到批準(zhǔn)。

2 雙主設(shè)備pci總線仲裁器的實(shí)現(xiàn)

下面描述了一個(gè)具有兩個(gè)設(shè)備的總線仲裁器的硬件實(shí)現(xiàn)，其一為trimedia嵌入式dspcpu pnx1300，其二為intel i82559網(wǎng)絡(luò)控制器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

該仲裁器的接口信號(hào)如表1所示。

為設(shè)計(jì)方便起見，在程序中設(shè)計(jì)三類狀態(tài)機(jī)：總線狀態(tài)狀態(tài)機(jī)、總線主設(shè)備查詢狀態(tài)機(jī)、仲裁狀態(tài)機(jī)。

2.1 總線狀態(tài)狀態(tài)機(jī)

總線狀態(tài)狀態(tài)機(jī)用于記錄總線事務(wù)的狀態(tài)，定義如下：

type bus_state is（idle，busy，last_data，finish）
四種狀態(tài)分別表示總線空閑、忙、最后一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸期以及傳輸完成。狀態(tài)圖如圖3。

2.2總線主設(shè)備查詢狀態(tài)機(jī)

總線主設(shè)備查詢狀態(tài)機(jī)用來決定當(dāng)前是否需要重新指定一個(gè)主設(shè)備，重新指定一個(gè)主設(shè)備的條件是：（1）當(dāng)前被授權(quán)的設(shè)備已開始傳輸；（2）當(dāng)前被授權(quán)的設(shè)備沒有開始傳輸并且超時(shí)。將主設(shè)備查詢狀態(tài)分為idle、gnt1、gnt2、wait_nobusy和wait_busy2五個(gè)狀態(tài)，并設(shè)置計(jì)數(shù)器count，當(dāng)總線上某個(gè)設(shè)備被授權(quán)，但16個(gè)周期仍然沒有開始操作，count超過16，被視為超時(shí)，仲裁器可以撤銷其仲裁授權(quán)，并傳授其他設(shè)備，程序根據(jù)這個(gè)狀態(tài)機(jī)的輸出結(jié)果決定仲裁狀態(tài)機(jī)是否改變。

狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖4所示，狀態(tài)機(jī)描述的vhdl代碼略。

主設(shè)備查詢狀態(tài)機(jī)的輸出信號(hào)search_master：

該狀態(tài)機(jī)的驅(qū)動(dòng)條件是由總線狀態(tài)狀態(tài)機(jī)的輸出結(jié)果（busbusy）、仲裁狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)（idle，park）和計(jì)數(shù)器的產(chǎn)生的超時(shí)信號(hào)（timeout）組成，設(shè)置wait_busy2的目的是為了避免可能會(huì)在ad線和par線上出現(xiàn)的沖突。該狀態(tài)機(jī)的輸出search_master作為仲裁狀態(tài)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換使能信號(hào)，只有該信號(hào)有效時(shí)，仲裁狀態(tài)機(jī)才進(jìn)行當(dāng)前狀態(tài)的改變。

2.3 仲裁狀態(tài)機(jī)

仲裁狀態(tài)機(jī)表示總線仲裁器的狀態(tài)，定義如下：


狀態(tài)轉(zhuǎn)變過程如圖5所示，狀態(tài)機(jī)描述的vhdl代碼略。

仲裁器根據(jù)仲裁狀態(tài)機(jī)當(dāng)前狀態(tài)控制仲裁授權(quán)信號(hào)（gnt）的給出。

2.5 資源占用情況分析

可編程邏輯器件使用lattice公司的isplsi2064e135lt100，在isplever中綜合本例程序，結(jié)果如表2。