基于IP模塊的PCI接口設(shè)計(jì)及FPGA實(shí)現(xiàn)

PCI局部總線不僅是目前最新的計(jì)算機(jī)總線，而且是一種兼容性最強(qiáng)、功能最全的計(jì)算機(jī)總線。它可同時(shí)支持多組外圍設(shè)備，而且不受制于處理器，為CPU及高速外圍設(shè)備提供高性能、高吞吐量、低延遲的數(shù)據(jù)通路。圖形用戶界面(GUI)、高清晰度電視(HDTV)、三維視頻多媒體顯示等新技術(shù)的發(fā)展以及高速通訊系統(tǒng)的廣泛需求使PCI具有良好的應(yīng)用前景。針對(duì)這種趨勢(shì)，國(guó)外許多芯片廠家設(shè)計(jì)生產(chǎn)了各種各樣的PCI專用集成電路。

目前國(guó)內(nèi)系統(tǒng)廠家的PCI總線接口一般采用國(guó)外的PCI專用芯片，如TUNDRA公司的Qspan、PLX公司9050、INTEL公司的21554等，但是這些專用芯片價(jià)格昂貴、功能繁雜、不能靈活配置、不利于系統(tǒng)的升級(jí)優(yōu)化，難于應(yīng)用。為此，各大FPGA廠商紛紛推出基于各自可編程邏輯器件結(jié)構(gòu)與工藝的PCI IP模塊(軟核、固核或硬核)。 Xilinx，Altera，Actel及QuickLogic等公司的PCI核在國(guó)內(nèi)都有廣泛應(yīng)用，它們各有特色，總體而言，Xilinx的PCI Core是含有布局布線信息的HDL門級(jí)網(wǎng)表格式，便于VHDL方法設(shè)計(jì)及第三方EDA軟件環(huán)境下的仿真驗(yàn)證;Altera的PCI Core為AHDL格式，通過(guò)ACF文件提供布局布線時(shí)的約束，其用戶側(cè)的信號(hào)數(shù)量較少，功能簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn);Actel及QuickLogic公司的反熔絲結(jié)構(gòu)，使其可編程芯片在速度與性能上有一定的優(yōu)勢(shì)，但PCI核的功能則相對(duì)較弱。

根據(jù)VoIP、CDMA等先進(jìn)的通訊系統(tǒng)對(duì)PCI總線接口的實(shí)際需求，我們通過(guò)評(píng)估比較，決定采用Altera公司的64位66MHz PCI Core，在VERIBEST及MAXPLUSII NT設(shè)計(jì)平臺(tái)上，針對(duì)目標(biāo)器件FLEX10K 100E，利用VHDL硬件描述語(yǔ)言，設(shè)計(jì)了PCI總線到摩托羅拉CPU的FPGA橋接芯片。該芯片介于PCI總線與摩托羅拉CPU之間，提供兩種總線間的地址轉(zhuǎn)換，命令譯碼，數(shù)據(jù)緩沖與傳輸，即插即用的配置，為系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸提供無(wú)縫的接口。

1. 設(shè)計(jì)輸入

設(shè)計(jì)輸入包括VHDL代碼設(shè)計(jì)及功能仿真。在進(jìn)行設(shè)計(jì)之前，先對(duì)系統(tǒng)劃分功能模塊，最頂層例化兩個(gè)模塊：Altera的PCI Core和用戶側(cè)邏輯。用戶側(cè)邏輯根據(jù)功能再進(jìn)一步細(xì)化。VHDL的結(jié)構(gòu)化特點(diǎn)非常便于層次化設(shè)計(jì)，每個(gè)工程師負(fù)責(zé)完成功能相對(duì)獨(dú)立的各子模塊設(shè)計(jì)仿真，最后進(jìn)行整體的功能仿真。進(jìn)行整體功能仿真前，先要提取PCI Core的功能仿真模型，在MAXPLUSⅡ環(huán)境下，按照系統(tǒng)要求配置PCI Core的相關(guān)參數(shù)，然后對(duì)其進(jìn)行編譯及布局布線，此時(shí)不必產(chǎn)生ACF文件。為能輸出用于VERIBEST環(huán)境下仿真的VHDL網(wǎng)表，編譯時(shí)需要選擇INTERFACE菜單下VHDL NETLIST WRITER。考慮到綜合后可能要作帶門級(jí)延時(shí)的仿真，編譯時(shí)最好產(chǎn)生SDF標(biāo)準(zhǔn)延時(shí)文件，在INTERFACE菜單下VHDL OUTPUT FILE[.VHO](WRITE DELAY CONSTRUCTS TO一欄中)。完成以上關(guān)鍵設(shè)置后，通過(guò)編譯即可得到PCI Core帶延時(shí)的VHDL網(wǎng)表文件。通過(guò)相同的操作可得到用戶側(cè)邏輯模塊中例化的其他Altera的MegaCore子模塊。

用戶側(cè)邏輯模塊與PCI Core互連時(shí)，需要注意一些關(guān)鍵問(wèn)題。PCI Core支持PCI主/從工作模式，其用戶側(cè)主/從模式信號(hào)是分開(kāi)的，在PCI Core處于一種工作模式時(shí)，另一種模式的信號(hào)必需處于確定的無(wú)效態(tài)，不能處于懸浮態(tài)或高阻態(tài)。用戶側(cè)邏輯模塊內(nèi)部應(yīng)避免使用三態(tài)信號(hào)，為便于控制與調(diào)試，應(yīng)采用狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)。對(duì)于PCI 時(shí)鐘與CPU時(shí)鐘間的交互使用，應(yīng)采用握手信號(hào)實(shí)現(xiàn)。

功能仿真在VERIBEST99 FPGA DESIGNVIEW環(huán)境下進(jìn)行。仿真時(shí)首先要對(duì)PCI Core進(jìn)行配置訪問(wèn)，配置PCI Core內(nèi)部配置寄存器的相應(yīng)位。

2. 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)包括邏輯綜合及布局布線。功能仿真完成后，下一步為用戶邏輯的綜合。VERIBEST 支持兩種 FPGA 綜合器;FPGA EXPRESS 和 SYNPLIFY。FPGA EXPRESS操作簡(jiǎn)單，界面清晰，綜合效率好，但其SCHEMATIC VIEW功能較差，所生成的原理圖晦澀難懂，不利于深入的時(shí)序分析。SYNPLIFY提供了RTL VIEW和TECHNOLOGY VIEW兩種原理圖，有利于關(guān)鍵路徑的尋找和分析，它還提供了許多功能強(qiáng)大的屬性參數(shù)，但同時(shí)也增加了軟件使用的復(fù)雜性。

VHDL語(yǔ)言中例化的FPGA IP模塊(PCI核，雙端口RAM等)應(yīng)該不參與邏輯綜合，可以在VHDL源碼中加入FPGA EXPRESS的綜合開(kāi)關(guān)-RPAGMA SYNTHESIS_OFF或SYPLIFY的綜合開(kāi)關(guān)-SYNTHESIS TRANSLATE_OFF實(shí)現(xiàn)，也可以將FPGA IP模塊的VHDL網(wǎng)表文件從綜合文件列表中刪除。

邏輯綜合時(shí)應(yīng)該分模塊進(jìn)行，找出各子模塊內(nèi)部的關(guān)鍵路徑，通過(guò)修改設(shè)計(jì)，優(yōu)化數(shù)據(jù)通路，最后進(jìn)行頂層的綜合。頂層綜合時(shí)最好保留設(shè)計(jì)層次。對(duì)于各模塊間的關(guān)聯(lián)信號(hào)，由于它們一般經(jīng)過(guò)多級(jí)查找表，造成延時(shí)較大，應(yīng)利用流水線技術(shù)在這些關(guān)鍵路徑上加入適當(dāng)數(shù)量的觸發(fā)器，減小 時(shí)延。軟件上的一些設(shè)置也有利于提高綜合后電路的頻率，如狀態(tài)機(jī)采用ONE HOT編碼，減小FANOUT數(shù)量，屏蔽操作數(shù)共享功能等。通過(guò)上述方法，我們的設(shè)計(jì)綜合后電路的頻率從38MHz提升到63MHz。

綜合完成后可生成用于MAXPLUSⅡ環(huán)境下布局布線的EDIF文件，如要作門級(jí)仿真，也可同時(shí)生成帶延時(shí)的VHDL網(wǎng)表文件。在MAX-PLUSⅡ中調(diào)入EDIF文件后，設(shè)置ASSIGN菜單下相關(guān)參數(shù)并指明PCI Core的庫(kù)路徑。編譯EDIF文件時(shí)要設(shè)置EDIF NETLIST READER為SYNOPSYS或SYNPLIFY。第一次布局布線，最好不要加入ACF文件。完成后，按要求生成PCI Core的ACF文件并放在工作目錄下，加入自己的約束條件，然后進(jìn)行第二次布局布線，此時(shí)應(yīng)設(shè)置產(chǎn)生用于VERIBEST進(jìn)行功能驗(yàn)證的VHDL網(wǎng)表文件。布局布線后，進(jìn)行時(shí)間參數(shù)分析。我們的設(shè)計(jì)結(jié)果PCI時(shí)鐘為30MHz，CPU時(shí)鐘為57MHz。

3. 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

設(shè)計(jì)驗(yàn)證包括靜態(tài)時(shí)序分析，功能驗(yàn)證及板級(jí)驗(yàn)證。靜態(tài)時(shí)序分析用于分析建立/保持時(shí)間，時(shí)鐘到輸出時(shí)間等時(shí)間參數(shù)是否滿足PCI規(guī)范。33MHz、32位的PCI規(guī)范要求建立時(shí)間小于7ns，保持時(shí)間為0ns，時(shí)鐘到輸出時(shí)間小于11ns，分析時(shí)必需考慮觸發(fā)器的影響，對(duì)關(guān)鍵路徑加以細(xì)致入微的計(jì)算。MAXPLUSⅡ提供了比較好的靜態(tài)時(shí)序分析功能，設(shè)計(jì)工程師負(fù)責(zé)設(shè)置并分配時(shí)間參數(shù)，軟件計(jì)算后給出分析結(jié)果，如果不滿足要求，可在重新布局布線時(shí)加上相關(guān)約束條件。時(shí)序分析結(jié)束后，還需進(jìn)行功能驗(yàn)證，在VERIBEST環(huán)境下對(duì)布局布線后生成的VHDL網(wǎng)表仿真，此時(shí)應(yīng)選擇OPEN POST_LAYOUT SIMULATOR進(jìn)入仿真器。VERIBEST會(huì)自動(dòng)生成VHDL格式的端口映射文件，并自動(dòng)關(guān)聯(lián)SDF文件，用戶無(wú)需額外設(shè)置。此時(shí)的功能仿真，調(diào)試相對(duì)較難，信號(hào)間關(guān)聯(lián)關(guān)系可通過(guò)VHDL網(wǎng)表文件查詢。

基于PCI Core的FPGA設(shè)計(jì)的板級(jí)驗(yàn)證可考慮采用Altera公司提供的PCI通用開(kāi)發(fā)板，該板支持Altera所有的PCI MegaCore模塊，用戶可通過(guò)板上的SDRAM，PMC插槽，RS232端口實(shí)現(xiàn)用戶邏輯與PCI Core的接口，也可以利用板上PROTOTYPE區(qū)實(shí)現(xiàn)用戶邏輯的功能。PCI開(kāi)發(fā)板演示軟件可以顯示數(shù)據(jù)傳輸速率，也可用于調(diào)試，配置PCI Core。

基于IP模塊的PCI設(shè)計(jì)為用戶在FPGA目標(biāo)器件上實(shí)現(xiàn)PCI接口提供了一種有效的途徑，設(shè)計(jì)工程師可以將主要精力集中于非PCI部分，通過(guò)將FPGA廠商提供的IP模塊與原理圖、狀態(tài)機(jī)及HDL語(yǔ)言等設(shè)計(jì)方法有機(jī)的結(jié)合，采用層次化結(jié)構(gòu)，在功能強(qiáng)大的EDA軟件環(huán)境下，于較短的時(shí)間內(nèi)完成復(fù)雜電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。