基于IP核的PCI總線接口設(shè)計與實現(xiàn)

pci總線是高性能的32/64位同步總線，具有嚴格的規(guī)范保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，微處理器與高集成度的外圍設(shè)備提供高速安全的接口，是迄今為止最成功的總線規(guī)范之一。

由于pci總線協(xié)議非常復(fù)雜，目前實現(xiàn)pci總線接口主要是使用兩種方式：（1）采用專用接口芯片，如amcc公司的s5933和plx公司的9054、9080。使用接口芯片開發(fā)人員可以不考慮pci接口的實現(xiàn)問題，但是在實際應(yīng)用中通常只用到接口芯片的部分功能，造成了資源的浪費，同時接口芯片占用了板卡上的有限空間，給應(yīng)用設(shè)計帶來不便。（2）使用可編程邏輯器件實現(xiàn)pci總線控制器，使用這種方式開發(fā)難度大，消耗周期長，系統(tǒng)驗證困難，且不具備通用性。 隨著ic產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的、基于標準單元的數(shù)字ic設(shè)計方法已經(jīng)發(fā)展到基于ip（知識產(chǎn)權(quán)）復(fù)用的soc設(shè)計方法，根據(jù)實現(xiàn)的硬件描述級的不同，ip核分為軟核、硬核和固核。其中，軟核是采用可綜合的hdl實現(xiàn)的rtl級設(shè)計，與具體實現(xiàn)工藝無關(guān)，相比于固核和硬核具有較大的靈活性，在fpga中定制pci接口軟核實現(xiàn)pci接口控制具有明顯的優(yōu)勢：可以在單片fpga中同時完成pci接口和用戶邏輯的設(shè)計，縮減成本，提高集成度，減少資源浪費，實現(xiàn)32/64位的pci、pci－x及兼容compact pci的pci主設(shè)備/目標設(shè)備接口，消除pci接口芯片與本地通信的信號線的硬線連接，提高用戶邏輯設(shè)計的彈性，降低因硬件設(shè)計不當造成的損失；統(tǒng)一設(shè)計工具和平臺，縮短開發(fā)周期。

本文應(yīng)用pci接口控制ip實現(xiàn)了pci多卡測控系統(tǒng)中pci總線到本地總線的轉(zhuǎn)換，實際應(yīng)用表明，采用此設(shè)計方案的pci卡運行穩(wěn)定可靠。

1 應(yīng)用背景

本文的應(yīng)用背景為某一工業(yè)測控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用fpga實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的采集和控制信號的輸出，通過定制pci接口ip實現(xiàn)一個32位目標設(shè)備的pci總線接口轉(zhuǎn)換。pci核選用altera pci編譯器所包括的pei_t32兆核函數(shù)，fpga選用altera公司的cyclone系列芯片eplc6q240c8，以配合32位/33mhz的pci接口的i/o標準和速度要求，在硬件設(shè)計上，為保證3.3v fpga對pci 2.2、5v總線的兼容性要求，在pci總線接口與fpga引腳間加入總線開關(guān)進行電平轉(zhuǎn)換。由于系統(tǒng)應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)控制場合，因此fpga與外部數(shù)據(jù)的i/o接口間需要加入光電隔離器件以增量系統(tǒng)的抗干擾能力，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 pci接口兆核函數(shù)

altera的pci編譯器（pci compiler）提供了使用altera器件實現(xiàn)pci接口設(shè)計的完全解決方案，包括4個32/64位、主/從模式pci接口控制器兆核函數(shù)（即接口ip）及相關(guān)測試平臺，通過選擇合適的芯片速度，可以滿足運行在33mhz或66mhz pci時鐘下的時序要求，支持altera的stratix ii、stratix、stratix gx、cyclone、cyclone ii和max ii系列器件，支持pci配置空間讀寫、內(nèi)存方式讀寫和i/o方式讀寫，支持預(yù)先讀取模式，支持可參數(shù)化的配置寄存器，包括參數(shù)化的設(shè)備信息、6個可變長度的基址空間和一個擴展rom空間，具有奇偶校驗檢錯，支持pci終止、重試和斷開作業(yè)及中斷操作，并提供靈活的本地端接口，pci_t32兆核函數(shù)的32位目標設(shè)備控制器，其結(jié)構(gòu)和總線接口信號如圖2所示。

在pci總線端，ip核提供32位數(shù)據(jù)線和目標設(shè)備控制信號、中斷請求信號及錯誤報告信號，本地總線端提供32位數(shù)據(jù)線和地址線、控制信號、中斷輸入信號和狀態(tài)表示信號接口。其中，本地端信號l_adi為地址/數(shù)據(jù)輸入，l_adro為地址輸出，l_dato為數(shù)據(jù)輸出，l_beno為字節(jié)使能輸出，l_cmdo為本地命令輸出?？刂菩盘杔t_abortn、lt_discn和lt_rdyn為本地端輸入，分別標志本地設(shè)備終止、斷開和準確好、lt_framen、lt_ackn和lt_dxfrn為目標傳輸控制信號，相當于pci總線的frame＃、devsel＃和trdy＃。lt_tsr為目標作業(yè)狀態(tài)寄存器輸出。lirqn為中斷輸入信號。

可以通過pci編譯器ip工具臺或編輯兆核函數(shù)頭文件的方式修改pci配置空間信息，本系統(tǒng)gci兆核函數(shù)的配置信息如下：

3 本地總線讀寫狀態(tài)機
在用戶邏輯中，通過總線讀寫狀態(tài)機實現(xiàn)內(nèi)存方式單周期或迸發(fā)讀寫、i/o單周期或迸發(fā)讀寫以及在設(shè)備不能完成作業(yè)時發(fā)起（目標）或響應(yīng)（主）終止、斷開或重試等作業(yè)，保證pci作業(yè)正確結(jié)束，以帶迸發(fā)模式的內(nèi)存讀寫作業(yè)為例，作為目標設(shè)備的本地總線讀寫狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖3所示。

idle為設(shè)備空閑狀態(tài)。

add_latch為地址鎖定狀態(tài)。lt_framen有效表示ip核接到一次pci讀寫作業(yè)并啟動本地端做出響應(yīng)，此時目標設(shè)備鎖存地址l_adro及命令l_cmdo，并對命令做出解釋。l_cmdo的值為6，則進入memory_read狀態(tài)；為7，則進入ip_ready狀態(tài)；其他值，則使能lt_discn并進入retry狀態(tài)。

mem_read為內(nèi)存讀作業(yè)狀態(tài)，lt_ackn有效驅(qū)動目標設(shè)備將數(shù)據(jù)放到總線上，如為迸發(fā)方式，則lt_rdyn和lt_dxfrn持續(xù)有效，驅(qū)使目標設(shè)備連續(xù)將地址相連的數(shù)據(jù)輸出，如目標設(shè)備在迸發(fā)作業(yè)中需延緩迸發(fā)作業(yè)，則可使lt_rdyn無效來進入等待周期，此時狀態(tài)機回到add_latch狀態(tài)，直到目標設(shè)備再次準備好，并同時使lt_rdyn有效并輸出數(shù)據(jù)。

retry為設(shè)備重試狀態(tài)，在作業(yè)開始，目標設(shè)備尚未準備好發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，則發(fā)起一次重試作業(yè)，即在lt_framen有效后使lt_discn有效并等待主設(shè)備結(jié)束作業(yè)。

discn為設(shè)備斷開狀態(tài)，在迸發(fā)讀寫左右中，目標設(shè)備檢測到地址超出有效范圍，則發(fā)起目標斷開作業(yè)，在迸發(fā)寫作業(yè)中斷，在最后一次有效寫數(shù)據(jù)前一時鐘使lt_discn有效，在迸發(fā)讀作業(yè)中，將最后一個數(shù)據(jù)放在總線上的同時使lt_discn有效。

ip_ready為內(nèi)存寫操作ip核準備傳輸數(shù)據(jù)狀態(tài)。

mem_write為內(nèi)存寫作業(yè)狀態(tài)，在同時使能lt_rdyn后等待lt_ackn和lt_dxfrn有效時讀取總線上的數(shù)據(jù)l_dato，迸發(fā)寫或加入等待周期的時序與讀作業(yè)類似。

stat_chech為狀態(tài)檢測；lt_ackn和lt_dxfrn同時無效標志著內(nèi)存單次/迸發(fā)讀作業(yè)完成，然后檢測作業(yè)狀態(tài)寄存器lt_tsr并返回idle狀態(tài)。

每一次作業(yè)開始，都啟動計數(shù)器，防止操作超時。

使用signaltap ii嵌入式邏輯分析儀實際捕獲的pci內(nèi)存讀寫作業(yè)的pci和本地總線信號時序圖如圖4所示，采樣時鐘為pci總線時鐘。

4 pci電氣特性要求設(shè)計
由于目前絕大多數(shù)主板采用5v的pci規(guī)范，而altera的cyclone系列fpga的i/o口電壓只支持3.3v，因此需要在fpga和pci連接器間加入電平轉(zhuǎn)換電路。
實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換的原理是在總線間加入nmos總線開關(guān)，實現(xiàn)方式如圖5所示。

其中總線開關(guān)選用idt公司的qs3861，首先，考慮電平轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)方法，當總線選通信號be＃使能，總線a的輸入電壓上升，總線b的電壓隨之上升，當總線a的電壓超過vcc－vt（vt的典型值為1v）時，總線b的電壓將被箝位到vcc－vt，而不會繼續(xù)上升，因此選擇vcc位4.3v，則能保證總線b的信號滿足3.3v標準。當3.3v總線b驅(qū)動總線a時，由于5v pci規(guī)范中定義的邏輯高電壓是2v－5.5v，因此也能夠保證fpga端驅(qū)動pci的高電壓要求。 其次，驗證是否滿足pci時序要求，pci2.2協(xié)議規(guī)定一個時鐘周期分為4部分：

t（30ns）＝tval＋tprop＋tsu＋tskew

其中：tval為時鐘到輸出信號有效延遲，tsu為輸入建立時間，tpro為最大總線傳輸時間，tskew為時鐘抖動時間。pci 2.2協(xié)議規(guī)定的保持時間為0。
tprop是由于pci總線采用反射波技術(shù)引入的，典型值為10ns，tprop與tskew的和不超過12ns。pci 2.2規(guī)范規(guī)定33mhz信號的建立時間為7ns，66mhz信號的建立時間為3ns，由qs3861引入的數(shù)據(jù)傳輸延遲為0.25ns。但由于所有pci信號都經(jīng)過總線開關(guān)進行電平轉(zhuǎn)換，到達fpga的信號整體只有0.25ns的延遲，因此fpga的建立時間仍然設(shè)置為7ns，fpga經(jīng)過運算輸出的信號時序由時鐘到信號有效延遲tval所限定。pci 2.2規(guī)范規(guī)定33mhz時tval最大為11ns，最小為2ns，由于電平轉(zhuǎn)換芯片在雙向數(shù)據(jù)通路的延遲累加，fpga必須包括時鐘到信號最大延遲在10.5ns以內(nèi)。

最后，考慮布局布線因素，在加入總線開關(guān)后，要保證從pci連接器到總線開關(guān)及總線開關(guān)到fpga的所有32位信號線（除中斷輸入信號、系統(tǒng)信號和jtag信號）的走線長度和不大于1.5英寸、時鐘線長度和為2.5±0.1英寸。

fpga中定制ip核實現(xiàn)pci總線到本地總線的轉(zhuǎn)換，能夠有效節(jié)約pci設(shè)備的成本，提高硬件資源利用率，縮短開發(fā)時間，目標設(shè)備讀寫狀態(tài)機對本地總線進行監(jiān)測，完成設(shè)備的內(nèi)存、i/o讀寫并提供迸發(fā)作業(yè)支持，在發(fā)生異常狀況時，及時發(fā)起重試，斷開或終止作業(yè)，保證pci總線傳輸正確結(jié)束，防止不安全的數(shù)據(jù)操作出現(xiàn)，為了滿足pci電氣規(guī)范，在硬件設(shè)計時需要注意3.3v設(shè)備掛接5v總線的電平轉(zhuǎn)換及其帶來的時序和布線問題。