一種PCI總線仲裁器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：以自行研制開發(fā)的PCI高速總線背板為背景，系統(tǒng)地論述了PCI總線的仲裁機(jī)制、總線的缺省占用、仲裁信號協(xié)定及優(yōu)先級仲裁算法，給出了采用EPLD實(shí)現(xiàn)仲裁器功能的編程設(shè)計(jì)。

隨著VLSI／ULSI技術(shù)的發(fā)展，可編程邏輯器件EPLD／FPGA越來越受到人們的青睞，由于它具有集成度高、速度快、開發(fā)周期短、費(fèi)用低、用戶可定義功能及可重復(fù)編程和擦寫等許多優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。這些器件的靈活性和通用性使得它們已成為研制和開發(fā)復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)的理想選擇。

在PCI總線技術(shù)規(guī)范的基礎(chǔ)上，采用EPLD實(shí)現(xiàn)了高速PCI總線背板中多主控設(shè)備的總線仲裁。

1 PCI總線的仲裁機(jī)制

PCI總線仲裁是基于訪問而不是基于時(shí)間片，也就是說，對于一個(gè)PCI總線主設(shè)備，必須為它在總線上進(jìn)行的每次訪問提出仲裁要求。PCI總線上采用的是并行仲裁（也叫獨(dú)立請求仲裁）方案，其仲裁機(jī)制如圖１所示。在這種仲裁中，每個(gè)主控器各有自己獨(dú)立的總線請求線＿REQ 和總線允許線＿GNT 與總線仲裁器相連，相互間沒有任何控制關(guān)系。PCI總線的仲裁是“隱含的”，就是說一次仲裁可以在前一次總線訪問期間完成，這樣就使得仲裁的具體實(shí)現(xiàn)不必占用PCI總線周期。當(dāng)然在總線空閑時(shí)除外。

當(dāng)PCI總線進(jìn)行操作時(shí)，發(fā)起者（Master）先置REQ#，當(dāng)?shù)玫街俨闷鳎ˋrbiter）的許可時(shí)（GNT#），會(huì)將FRAME#置低，并在AD總線上放置Slave地址，同時(shí)C/BE#放置命令信號，說明接下來的傳輸類型。所有PCI總線上設(shè)備都需對此地址譯碼，被選中的設(shè)備要置DEVSEL#以聲明自己被選中。然后當(dāng)IRDY#與TRDY#都置低時(shí)，可以傳輸數(shù)據(jù)。當(dāng)MaSTer數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束前，將FRAME#置高以標(biāo)明只剩最后一組數(shù)據(jù)要傳輸，并在傳完數(shù)據(jù)后放開IRDY#以釋放總線控制權(quán)。

在實(shí)際的PCI總線仲裁電路中，與仲裁直接有關(guān)的控制線除＿REQ和＿GNT外，還有＿FRAME、＿IRDY。此外，為了保證總線交換的同步，還應(yīng)有一根總線時(shí)鐘信號PCIclk和一根總線復(fù)位信號＿PCIrst，如圖1虛線所示。

2 總線的缺省占用

總線（Bus）是計(jì)算機(jī)各種功能部件之間傳送信息的公共通信干線，它是由導(dǎo)線組成的傳輸線束， 按照計(jì)算機(jī)所傳輸?shù)男畔⒎N類，計(jì)算機(jī)的總線可以劃分為數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線，分別用來傳輸數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)地址和控制信號。

當(dāng)總線空閑（其他器件都以高阻態(tài)形式連接在總線上）且一個(gè)器件要與目的器件通信時(shí)，發(fā)起通信的器件驅(qū)動(dòng)總線，發(fā)出地址和數(shù)據(jù)。其他以高阻態(tài)形式連接在總線上的器件如果收到（或能夠收到）與自己相符的地址信息后，即接收總線上的數(shù)據(jù)。發(fā)送器件完成通信，將總線讓出（輸出變?yōu)楦咦钁B(tài)）。

所謂總線的缺省占用，就是指在當(dāng)前沒有設(shè)備使用總線或請求總線的情況下，允許仲裁器根據(jù)一定的方式選定一個(gè)設(shè)備作為總線缺省的擁有者，并向它發(fā)出＿GNT信號。選擇的方式有多種，如可為某一固定設(shè)備，也可為最后一次使用總線的設(shè)備，當(dāng)然也可以指定自己（仲裁器本身）為總線缺省的擁有者。

當(dāng)仲裁器將某一設(shè)備確定為總線的缺省擁有者時(shí)該設(shè)備可以不通過發(fā)＿REQ信號就開始一次總線操作（只要總線空閑且＿GNT信號有效）。如果該設(shè)備需要做多次的數(shù)據(jù)傳輸，它就應(yīng)當(dāng)發(fā)出＿REQ信號，以便向仲裁器提出多次操作的請求；而如果該設(shè)備只要求做一次總線操作，它就不應(yīng)當(dāng)發(fā)出＿REQ信號，否則仲裁器可能在它不需要使用總線的情況下又給它發(fā)出＿GNT信號。

3 仲裁信號協(xié)定

綜上所述， PCI總線的仲裁主要是通過＿REQ和＿GNT兩個(gè)信號來實(shí)現(xiàn)的。前者用于某一設(shè)備要求占用總線的請求，后者用于允許某一設(shè)備占用總線的應(yīng)答。只有總線仲裁器才可以指定誰是總線缺省的擁有者。

當(dāng)仲裁器允許某一設(shè)備使用總線時(shí)，就向該設(shè)備發(fā)出＿GNT信號；相反，當(dāng)仲裁器不再允許某一設(shè)備擁有總線控制權(quán)時(shí)，可以在任意時(shí)鐘撤消該設(shè)備的＿GNT信號。如果＿GNT信號無效，這次操作就不可以進(jìn)行。

PCI總線的仲裁信號之間必須遵循一定的協(xié)定，具體描述如下：

· 若總線不是處于空閑狀態(tài)，有可能一個(gè)＿GNT的撤消碰巧是另一個(gè)＿GNT發(fā)出的同時(shí)，但如果是在空閑狀態(tài)，則要求一個(gè)＿GNT撤消到下一個(gè)＿GNT的發(fā)出之間必須有一個(gè)時(shí)鐘周期。否則可能會(huì)在AD線和PAR線上出現(xiàn)沖突；

· 當(dāng)＿FRAME無信號時(shí)，＿GNT可以在任意時(shí)間撤消，以便服務(wù)于另一個(gè)主設(shè)備，或者作為對相應(yīng)的＿REQ撤消的響應(yīng)；

· ＿GNT信號的每次發(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。若該主控器還想做多次總線訪問時(shí)，可以保持它的_REQ信號一直有效。此時(shí)，如果沒有其它請求，或者當(dāng)前的主控器具有最高優(yōu)先權(quán)，仲裁器就會(huì)繼續(xù)批準(zhǔn)總線給當(dāng)前主控器；

·一個(gè)主控器可以在任意時(shí)刻撤消其_REQ信號，但要注意，_REQ信號一旦撤消，仲裁器將認(rèn)為該設(shè)備不再請求使用總線，因而撤消其_GNT信號。若一個(gè)主控器只希望做一次總線傳輸，它應(yīng)當(dāng)在發(fā)出＿FRAME的同一時(shí)鐘周期撤消_REQ；

4 優(yōu)先級仲裁算法

為了合理地控制和管理系統(tǒng)中需要占用總線的數(shù)據(jù)源，PCI仲裁器必須實(shí)現(xiàn)一個(gè)特別的優(yōu)先級仲裁算法，以便在多個(gè)設(shè)備同時(shí)提出總線占用請求時(shí)，能依據(jù)該仲裁算法判決出哪個(gè)設(shè)備應(yīng)獲得對總線的控制權(quán)?？偩€仲裁可以確保任何時(shí)刻總線上最多只有一個(gè)設(shè)備發(fā)送信息，而決不會(huì)出現(xiàn)多個(gè)主控器同時(shí)占用總線的情況。

由于總線仲裁算法從根本上說與PCI總線技術(shù)規(guī)范無關(guān)，所以設(shè)計(jì)者可以根據(jù)實(shí)際需要自由地進(jìn)行選擇和修改。但要注意，設(shè)計(jì)時(shí)必須為所選用的I/O控制器及接插卡提供所要求的訪問延遲保證。

總線優(yōu)先級仲裁算法通常有兩種，一種是固定優(yōu)先級算法，一種是循環(huán)優(yōu)先級算法。但不管是哪一種仲裁算法，都必須滿足以下三個(gè)基本要求：

· 每一時(shí)刻只能有一個(gè)設(shè)備作為總線主控器；

· 先請求者先響應(yīng)，且在一個(gè)總線操作周期之內(nèi)不被打斷；

· 同一時(shí)刻有幾個(gè)設(shè)備發(fā)出請求時(shí)，按優(yōu)先級排序響應(yīng)。

所謂固定優(yōu)先級算法，就是指PCI總線中各主控器的優(yōu)先級是事先確定好的，在仲裁器仲裁過程中固定不變；而循環(huán)優(yōu)先級算法則不同，各主控器的優(yōu)先級在仲裁器的仲裁過程中不是一成不變，而是根據(jù)一定規(guī)律發(fā)生變化的。

表１給出了采用循環(huán)優(yōu)先級算法或固定優(yōu)先級算法時(shí)，PCI總線仲裁器中Ｎ個(gè)主控器的優(yōu)先級變化規(guī)律。

采用固定優(yōu)先級算法，可以對那些有重要數(shù)據(jù)傳輸、或有大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸以及經(jīng)常需要占用總線的主設(shè)備賦予較高的優(yōu)先權(quán)，以便有效地利用PCI總線周期。在實(shí)際中，常常將這兩種算法結(jié)合起來使用，以便構(gòu)成更為靈活的仲裁機(jī)構(gòu)。

5 仲裁器的EPLD編程設(shè)計(jì)

下面以支持５個(gè)總線主控器的PCI總線仲裁器為例，給出采用Altera公司的EPLD進(jìn)行功能實(shí)現(xiàn)的主要設(shè)計(jì)思路，其中，所用編程語言為Altera公司的AHDL語言。該仲裁器采用循環(huán)優(yōu)先級仲裁算法，且總線的缺省擁有者指定為最后一次使用總線的主設(shè)備。

5.1 PCI總線的狀態(tài)機(jī)

PCI是Peripheral CompONent Interconnect（外設(shè)部件互連標(biāo)準(zhǔn)）的縮寫，它是目前個(gè)人電腦中使用最為廣泛的接口，幾乎所有的主板產(chǎn)品上都帶有這種插槽。PCI插槽也是主板帶有最多數(shù)量的插槽類型，在目前流行的臺(tái)式機(jī)主板上，ATX結(jié)構(gòu)的主板一般帶有5～6個(gè)PCI插槽，而小一點(diǎn)的MATX主板也都帶有2～3個(gè)PCI插槽，可見其應(yīng)用的廣泛性。

PCI總線是一種不依附于某個(gè)具體處理器的局部總線。從結(jié)構(gòu)上看，PCI是在CPU和原來的系統(tǒng)總線之間插入的一級總線，具體由一個(gè)橋接電路實(shí)現(xiàn)對這一層的管理，并實(shí)現(xiàn)上下之間的接口以協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)的傳送。管理器提供了信號緩沖，使之能支持10種外設(shè)，并能在高時(shí)鐘頻率下保持高性能。PCI總線也支持總線主控技術(shù)，允許智能設(shè)備在需要時(shí)取得總線控制權(quán)，以加速數(shù)據(jù)傳送。

PCI總線的狀態(tài)機(jī)包括三種基本狀態(tài)：無任何總線請求（ＮＯ＿REQ）、等待周期（WAIT_CYCLE）和幀信號＿FRAME的撤消（FRAMEＤ）。其中，＿FRAME信號的撤消，意味著當(dāng)前的總線操作將進(jìn)入最后一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸周期，此時(shí)，＿IRDY有效，一旦 ＿TRDY也有效最后一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸周期就可完成。而判斷＿FRAME是否撤消的具體方法就是判斷＿FRAME是否出現(xiàn)從低到高的上跳變。圖2所示即為PCI總線的狀態(tài)機(jī)。圖中，TIME_OUT為從＿GNT發(fā)出到＿FRAME變?yōu)橛行试S的PCI總線周期數(shù)。

5.2 PCI總線仲裁器的狀態(tài)機(jī)

由于此仲裁器最大支持５個(gè)PCI總線主控器，至于仲裁器的仲裁狀態(tài)什么時(shí)候應(yīng)該發(fā)生變化則由總線狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)決定，具體如下：當(dāng)總線狀態(tài)機(jī)處于FRAMEＤ狀態(tài)，表明在最后一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸周期結(jié)束后，它將釋放PCI總線，此時(shí)，仲裁器便可撤消對它的＿GNT信號，以便去服務(wù)于另一個(gè)主控器；所以，若用EnChange來代表允許仲裁器仲裁狀態(tài)發(fā)生變化的條件，則采用AHKL語言的具體編程如下：EnChange=（EnCHstate ==FRAMED）#（eNchSTATE == no_req）#（TimeOut[]==TIME_OUT）

該仲裁器中，由于采用循環(huán)優(yōu)先級算法，仲裁器從每一種仲裁狀態(tài)轉(zhuǎn)換到其它仲裁狀態(tài)的方法都是一樣的，所以，下面只給出了仲裁器的仲裁狀態(tài)為主控器1時(shí)向其它仲裁狀態(tài)的轉(zhuǎn)換機(jī)理（如圖３所示）。另外，若仲裁器在剛啟動(dòng)時(shí)處于無效狀態(tài)，則強(qiáng)制狀態(tài)機(jī)在下一個(gè)時(shí)鐘轉(zhuǎn)換到Master0態(tài)。

5.3 總線允許信號＿GNTi（低電平有效）的建立

在PCI對話中，由于＿FRAME 和 ＿IRDY決定著總線的忙／閑狀態(tài)。兩者之中只要有一個(gè)信號成立，總線就處于忙碌狀態(tài)；當(dāng)兩個(gè)信號都無效時(shí)，總線才處于空閑狀態(tài)。所以建立＿GNTｉ的具體編程如下：！＿GNTi=（GNTstate==Masteri）GLOBAL（_PCIrst）!MaskGNT;%式中，MaskGNT=_FRAME_IRDY%

總之，本文介紹的PCI總線仲裁器，由于采用單片EPLD即可實(shí)現(xiàn)，所以它具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性高、在線修改方便及升級容易等特點(diǎn)。目前，采用該仲裁器的PCI高速總線背板已應(yīng)用在我們研發(fā)的總線型高性能網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)系列中。經(jīng)過近兩年的實(shí)際運(yùn)行表明，仲裁器工作正常，性能穩(wěn)定可靠。