CPLD技術(shù)在PCI總線開(kāi)關(guān)中的應(yīng)用

PLD(可編程邏輯器件)以其操作靈活、使用方便、開(kāi)發(fā)迅速、投資風(fēng)險(xiǎn)低的特點(diǎn)，很快發(fā)展起來(lái)，并越來(lái)越受人們的矚目。PLD是可以由用戶在工作現(xiàn)場(chǎng)編程的邏輯器件，它從簡(jiǎn)單的PAL、GAL,已發(fā)展到CPLD、EPLD、FPGA和FLEX系列。他們都具有體系結(jié)構(gòu)和邏輯單元靈活、集成度高以及適用范圍廣等特點(diǎn)。

同以往的PAL、GAL等相比較，FPGA/CPLD的規(guī)模比較大，適合于時(shí)序、組合等邏輯電路等場(chǎng)合應(yīng)用?？删幊踢壿嬈骷讓W(xué)、易用，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，縮小了系統(tǒng)規(guī)模，提高了系統(tǒng)的可靠性。一個(gè)器件的可用門已達(dá)數(shù)萬(wàn)門，引腳間延時(shí)僅幾ns，而且仍在朝著高密度、高速度的方向迅速發(fā)展。

計(jì)算機(jī)總線是計(jì)算機(jī)各部件之間進(jìn)行信息傳輸?shù)墓餐ǖ?。在?dāng)今的微型機(jī)中主要采用的是PCI總線， ISA、EISA總線正逐步被淘汰。所以對(duì)硬件設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，掌握PCI總線板卡的開(kāi)發(fā)技術(shù)是非常重要的。板卡的設(shè)計(jì)方法通常有這么幾種：一是做ASIC，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)；另一種是在專用接口芯片下開(kāi)發(fā)，但使用不是很靈活，系統(tǒng)規(guī)模大；目前最新的方法是用PLD來(lái)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。

在進(jìn)行CPLD設(shè)計(jì)時(shí)，筆者使用的軟件是Altera的MAX+PLUS II。Altera的MAX+PLUS II開(kāi)發(fā)系統(tǒng)是一個(gè)完全集成化、易學(xué)易用的、與結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)的可編程邏輯設(shè)計(jì)環(huán)境，它使通用系列設(shè)計(jì)者能方便的進(jìn)行設(shè)計(jì)輸入、快速處理和器件編程，使用此軟件的設(shè)計(jì)方法是很靈活的，可以采用硬件描述語(yǔ)言(PLD)、電路圖，甚至是時(shí)序圖。根據(jù)不同的情況可以采用不同的方法，在一個(gè)設(shè)計(jì)中也可以采用多種方法。下面以一個(gè)簡(jiǎn)單的PCI從設(shè)備設(shè)計(jì)為例，說(shuō)明設(shè)計(jì)思想與過(guò)程。

在本例中，設(shè)計(jì)的PCI卡作為從設(shè)備使用，可以實(shí)現(xiàn)即插即用功能，卡上有1MＢ的存儲(chǔ)器可供使用。在PCI即插即用板卡的設(shè)計(jì)中，核心設(shè)計(jì)有兩部分：時(shí)序控制和配置空間。時(shí)序控制保證了板卡能按正常的PCI時(shí)序工作，配置空間部分保證了板卡的即插即用功能。

在本例中，這兩部分都由AHDL語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)的(AHDL語(yǔ)言是Altera公司專門為其芯片設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的一種硬件描述語(yǔ)言）。在時(shí)序控制程序中采用狀態(tài)機(jī)模型來(lái)實(shí)現(xiàn)不同時(shí)序的轉(zhuǎn)換，采用這種方式既節(jié)省資源，程序也簡(jiǎn)單易懂。

本例中的狀態(tài)機(jī)共使用了七種狀態(tài)，分別對(duì)應(yīng)空閑、存儲(chǔ)器讀寫(xiě)的判斷、配置讀寫(xiě)的判斷、讀、寫(xiě)、過(guò)渡周期、總線忙周期的時(shí)序。板卡接到復(fù)位信號(hào)后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位，然后轉(zhuǎn)入空閑狀態(tài)。在空閑狀態(tài)中采樣總線，并根據(jù)總線的變化來(lái)決定下一個(gè)時(shí)鐘上升沿后，狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)入何種狀態(tài)。這些時(shí)序和程序中用到的信號(hào)都是基本且必須的。在進(jìn)行開(kāi)發(fā)時(shí)可以根據(jù)需要增添必要的狀態(tài)和信號(hào)。程序描述如下：

subdesign statesmachine

(clk,rst,frame,ad[31..0],cbe[3..0],idsel,irdy,mem_bar[12..0] :input;

devsel,trdy,cfg_rd,cfg_wr, mem_rd,mem_wr :output;

cfg_addr[5..0],mem_addr[16..0] :output;)

//以上定義了狀態(tài)機(jī)模塊的輸入輸出引腳

VARIABLE

pci_state :MACHINE

WITHSTATES(idle,cmp_cfg, cmp_addr,read,write,turn_ar, bus_busy);

//定義狀態(tài)機(jī)變量，共有七個(gè)狀態(tài)空閑狀態(tài)idle,配置空間操作cmp_cfg,比較地址cmp_addr,讀狀態(tài)read,寫(xiě)狀態(tài)write,過(guò)渡周期狀態(tài)turn_ar,總線忙狀態(tài)bus_busy。通過(guò)狀態(tài)機(jī)的不同狀態(tài)實(shí)現(xiàn)時(shí)序的轉(zhuǎn)換，在每個(gè)狀態(tài)中實(shí)現(xiàn)不同的時(shí)序周期。

BEGIN

初始化：對(duì)內(nèi)部信號(hào)和各個(gè)輸入輸出引腳進(jìn)行初始化，設(shè)定它們的連接關(guān)系。

IF rst==b"0" THEN //判斷是否復(fù)位

實(shí)現(xiàn)復(fù)位的時(shí)序操作。

ELSE

CASE pci_state IS

WHEN idle => //空閑狀態(tài)

在此狀態(tài)中，每個(gè)時(shí)鐘周期判斷frame和idsel信號(hào)的變化，一旦發(fā)現(xiàn)frame被置為有效，就根據(jù)idsel信號(hào)判斷下一狀態(tài)轉(zhuǎn)入對(duì)配置空間操作的cmp_cfg 或是比較地址對(duì)存儲(chǔ)器操作的cmp_addr

WHEN cmp_cfg=> //對(duì)配置空間操作的狀態(tài)

在此狀態(tài)中根據(jù)地址線的低兩位判斷是否是對(duì)配置空間的操作，若不是轉(zhuǎn)入總線忙狀態(tài)bus_busy；若是則根據(jù)cbe的信號(hào)是A或B來(lái)判斷是讀還是寫(xiě)，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的狀態(tài)read,write。

WHEN cmp_addr =>//地址比較狀態(tài)

在此狀態(tài)中判斷要讀寫(xiě)地址的高位與配置空間中分配的地址是否相同，若不同轉(zhuǎn)入總線忙狀態(tài)bus_busy;若相同則根據(jù)cbe的信號(hào)是6或7來(lái)判斷是讀還是寫(xiě)，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的狀態(tài)read,write。

WHEN read=> //讀狀態(tài)

在此狀態(tài)中，根據(jù)cbe的值判斷是配置讀還是存儲(chǔ)讀，然后控制輸出信號(hào)mem_rd ，cfg_rd，trdy, devsel產(chǎn)生相應(yīng)的讀時(shí)序，同時(shí)在此周期中判斷frame,irdy信號(hào)，若irdy變低并且frame變高，則讀狀態(tài)結(jié)束，轉(zhuǎn)入turn_ar狀態(tài)．

WHEN write=> //寫(xiě)狀態(tài)

在此狀態(tài)中，根據(jù)cbe的值判斷是配置寫(xiě)還是存儲(chǔ)寫(xiě)，然后控制輸出信號(hào)mem_wr，cfg_wr，trdy, devsel產(chǎn)生相應(yīng)的寫(xiě)時(shí)序，同時(shí)在此周期中判斷frame,irdy信號(hào)，若irdy變低并且frame變高，則寫(xiě)狀態(tài)結(jié)束，轉(zhuǎn)入turn_ar狀態(tài)。

WHEN turn_ar => //信號(hào)的過(guò)渡周期狀態(tài)

按照PCI的總線規(guī)范，S/T/S 信號(hào)，從有效變?yōu)楦】罩氨仨毐ＷC使其具有至少一個(gè)時(shí)鐘周期的高電平狀態(tài)，此狀態(tài)中，將所有的S/T/S 信號(hào)置為高。

WHEN bus_busy=> //總線忙狀態(tài)

總線不對(duì)本卡操作，因此通過(guò)對(duì)frame信號(hào)的判斷，來(lái)決定何時(shí)脫離本狀態(tài)。

WHEN OTHERS =>

若進(jìn)入此狀態(tài)，則應(yīng)根據(jù)需要，馬上轉(zhuǎn)入bus_busy或idle

END CASE;

END IF;

END;

配置空間部分也采用AHDL語(yǔ)言來(lái)描述實(shí)現(xiàn)，在配置空間中定義PCI卡的功能、內(nèi)存空間的分配、以及產(chǎn)品號(hào)、ID號(hào)等．通過(guò)對(duì)配置空間的定義，才能保證板卡的即插即用功能．描述如下：

subdesign config

(add[5..0] ,idata[n..0], int_data[7..0],rd,wr,clk :input;

odata[31..0], barout[12..0]

:output;)//定義輸入輸出

begin

初始化：對(duì)引腳進(jìn)行初始化，指定它們的邏輯關(guān)系．

bar0[]=idata[];

table

add[] => outtri[31..0]。In;

b"000000" => h"88881172";

b"000001" => h"02000002";

b"000010" => h"ff000000";

end table; //配置空間中前三行的內(nèi)容，可根據(jù)需要設(shè)定．

if add[]==b"000100" then //對(duì)存儲(chǔ)

器的地址分配

向配置空間的基址寄存器區(qū)的高位，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)寫(xiě)入分配給本卡存儲(chǔ)器的起始地址

end if;

if add[]==b"001111" then //寫(xiě)中斷

向量

寫(xiě)入系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)分配給本卡的中斷向量

end if;

end;

兩部分都通過(guò)軟件生成模塊，兩模塊之間的接口部分，可以很容易的通過(guò)電路圖的連接來(lái)實(shí)現(xiàn)。兩個(gè)模塊圖如圖。

使用CPLD技術(shù)開(kāi)發(fā)PCI板卡有以下優(yōu)點(diǎn):

1、開(kāi)發(fā)周期短、成本低、投資風(fēng)險(xiǎn)小，標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品無(wú)需測(cè)試、質(zhì)量穩(wěn)定，可實(shí)時(shí)在線檢驗(yàn)。采用CPLD技術(shù)設(shè)計(jì)完成后，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)的時(shí)序仿真。驗(yàn)證改進(jìn)設(shè)計(jì)結(jié)果，而不需重復(fù)的硬件試驗(yàn)。設(shè)計(jì)通過(guò)后寫(xiě)入芯片，通過(guò)測(cè)試即可投入使用。比使用一些專用的PCI芯片開(kāi)發(fā)要簡(jiǎn)單，而且省去了其他開(kāi)發(fā)設(shè)備，所以成本也較低。比之ASIC開(kāi)發(fā)的周期則要短的多。

2、使用靈活方便。由于開(kāi)發(fā)的板卡是直接在總線的基本規(guī)范上進(jìn)行，沒(méi)有使用一些專用芯片，因而開(kāi)發(fā)更靈活、自由，受到的限制更少，整個(gè)硬件模塊的規(guī)模也較小，可以將很多自己的算法與技術(shù)和PCI合成在一起，做出技術(shù)含量更高的產(chǎn)品。

3、有利于知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)和軟件性能的提高。利用這項(xiàng)技術(shù)可以將自己的的算法、技術(shù)和一些軟件做成硬件固化到卡上，既提高了運(yùn)行速度，也使盜版者難以復(fù)制。

本文結(jié)合一個(gè)實(shí)例給出了在PCI總線上利用CPLD技術(shù)設(shè)計(jì)各種板卡的設(shè)計(jì)方案，簡(jiǎn)單實(shí)用，有很高的應(yīng)用價(jià)值。■