基于FPGA的PCI總線串口卡設(shè)計

1.1.1 PCI空間配置模塊
　PCI協(xié)議支持3種地址空間：I/O空間、內(nèi)存空間和配置空間。配置空間是PCI所特有的一種空間，其大小為256 B，前64 B是必需的，記錄了PCI串口設(shè)備的基本信息。PCI設(shè)備的一些主要的信息如下：
　(1) VendorID、DeviceID:分別表示設(shè)備的生產(chǎn)廠商和設(shè)備編號。
　(2) Command：命令寄存器，包含設(shè)備控制位，包括允許存儲器讀寫響應(yīng)等。
　(3) Status：狀態(tài)寄存器，記錄PCI總線的相關(guān)事件信息。
　(4) Base Adress Register：基地址寄存器，指示此PCI設(shè)備按I/O方式還是按內(nèi)存方式進(jìn)行讀寫以及需要的地址空間大小。
　(5) Interrupt Line、Interrupt Pin：為設(shè)備使用的中斷號和中斷引腳。
1.1.2 偶校驗?zāi)K
　PCI總線的偶校驗用于檢驗數(shù)據(jù)傳輸是否正確。在PCI總線上，利用偶校驗?zāi)K檢查每次傳輸中主設(shè)備是否正確地尋址到目標(biāo)設(shè)備，以及它們之間的數(shù)據(jù)是否正確地傳輸。
1.1.3 地址譯碼和命令譯碼模塊
　地址譯碼模塊主要用于檢測地址與此PCI串口設(shè)備的基地址是否匹配，如果匹配，則PCI串口設(shè)備響應(yīng)當(dāng)前的總線操作。
　命令譯碼模塊表示PCI串口設(shè)備響應(yīng)不同的總線命令，通過檢測PCI-cbe[3：0]信號線上的值，完成命令譯碼。
1.1.4 設(shè)備狀態(tài)機(jī)模塊
　PCI總線接口電路是時序復(fù)雜的接口電路,它的復(fù)雜性由PCI總線操作的多樣性決定。根據(jù)PCI的總線操作類型和總線操作時序關(guān)系，在這里抽象出一種簡潔明了，符合總線時序、更易于硬件描述語言實(shí)現(xiàn)的狀態(tài)機(jī)。總線接口狀態(tài)機(jī)示意圖如圖4所示。狀態(tài)機(jī)的設(shè)計是整個設(shè)計的核心部分,利用該狀態(tài)機(jī)可以完成配置寄存器、存儲器、I/O的讀寫操作。

　狀態(tài)機(jī)包括4個狀態(tài)：空閑(idle)狀態(tài)、配置讀寫（con）狀態(tài)、存儲器或I/O讀寫(rw)狀態(tài)、傳輸中止（backoff）狀態(tài)。系統(tǒng)復(fù)位后，狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)入空閑狀態(tài)，在空閑狀態(tài)中采樣總線，并根據(jù)總線的變化來決定狀態(tài)機(jī)即將轉(zhuǎn)入的狀態(tài)。如果此時命令總線上是配置寄存器讀寫命令，判斷PCI-irdy信號是否有效來決定下一可能的狀態(tài)。如果信號無效，則狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)入傳輸中止?fàn)顟B(tài)，然后返回空閑狀態(tài)；如果信號有效，則狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)入配置讀寫狀態(tài)。如果此時命令總線上是存儲器或者I/O的讀寫命令，則判斷PCI-frame信號是否有效來決定下一可能的狀態(tài)。如果信號無效，狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)入傳輸中止?fàn)顟B(tài)，然后返回空閑狀態(tài)；如果信號有效，狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)入存儲器或I/O讀寫狀態(tài)。
1.2 UART模塊
　PCI總線傳輸?shù)氖遣⑿袛?shù)據(jù)，而串口傳輸?shù)氖谴袛?shù)據(jù)，要想實(shí)現(xiàn)PCI總線與串口的數(shù)據(jù)傳輸，必須通過UART完成數(shù)據(jù)的串并/并串轉(zhuǎn)換。本文設(shè)計的基于FPGA的UART由4個模塊組成：波特率發(fā)生器模塊、寄存器控制模塊、接收模塊以及發(fā)送模塊。UART的總體框圖如圖5所示。

1.2.1 波特率發(fā)生器模塊
　波特率發(fā)生器實(shí)際上就是一個分頻器，用來產(chǎn)生和串行通信所采用的波特率同步的時鐘，這樣才能按照串行通信的時序要求進(jìn)行數(shù)據(jù)接收或發(fā)送[3]。本設(shè)計中UART收發(fā)的每一個數(shù)據(jù)寬度都是波特率發(fā)生器輸出時鐘周期的16倍,即假定當(dāng)前按照9 600 b/s進(jìn)行收發(fā),那么波特率發(fā)生器輸出的時鐘頻率應(yīng)為9 600×16 Hz。
1.2.2 寄存器控制模塊
　設(shè)計的UART包括：2個數(shù)據(jù)緩沖寄存器(接收、發(fā)送緩沖寄存器)；2個狀態(tài)寄存器(中斷識別、線路狀態(tài)寄存器)；2個控制寄存器(中斷使能、線路控制寄存器)；2個移位寄存器(接收、發(fā)送移位寄存器)。寄存器控制模塊完成除了移位寄存器外的所有寄存器的讀寫控制。
1.2.3 接收模塊
　接收模塊包括接收緩沖寄存器和接收移位寄存器。在接收數(shù)據(jù)開始時，為了能夠準(zhǔn)確地傳輸數(shù)據(jù)，先要清空接收緩沖寄存器和接收移位寄存器，然后接收移位寄存器等待檢測數(shù)據(jù)的起始位。檢測到有效的起始位后開始接收數(shù)據(jù)，同時啟動接收數(shù)據(jù)計數(shù)器，統(tǒng)計接收數(shù)據(jù)的位數(shù)，直到接收到滿足需求的數(shù)據(jù)位。如果需要奇偶校驗，則產(chǎn)生校驗位。最后接收停止位，完成1幀數(shù)據(jù)（起始位+數(shù)據(jù)位+奇偶校驗位+停止位）的接收，將數(shù)據(jù)存入接收緩沖寄存器，進(jìn)行下一幀數(shù)據(jù)的接收，并通知上位機(jī)讀取數(shù)據(jù)。