嵌入式系統(tǒng)中PCI總線仲裁器的設(shè)計(jì)方法

　　PCI總線是現(xiàn)今最為流行的工業(yè)控制總線之一。它廣泛地應(yīng)用在計(jì)算機(jī)中，很多目標(biāo)嵌入式設(shè)備中的解決方案都包含了PCI總線。這里介紹一種基于CPLD（復(fù)雜可編程邏輯器件）的PCI總線仲裁器的設(shè)計(jì)方法，可以為系統(tǒng)量身定制適合于系統(tǒng)本身的PCI總線仲裁器。

　　1 PCI總線仲裁簡(jiǎn)介

　　1.1 PCI總線的仲裁原理

　　PCI總線是一種共享式的總線，可以連接多個(gè)主設(shè)備，但由于數(shù)據(jù)傳輸?shù)莫?dú)占性，每一時(shí)刻只能由一個(gè)主設(shè)備占用總線。因此，為了有效地利用PCI總線寬帶，必須設(shè)置一個(gè)總線仲裁器，按照一定的算法協(xié)調(diào)系統(tǒng)中各個(gè)主設(shè)備的操作。

　　PCI總線仲裁的裁決過程可以在PCI傳輸期間完成，并不占用PCI總線的寬帶，這稱為隱式仲裁，即需要發(fā)起PCI操作的設(shè)備可以隨時(shí)發(fā)出請(qǐng)求REQ＃，PCI仲裁器立即批準(zhǔn)該請(qǐng)求被給出GNT＃，但是真正的傳輸操作一定要等到當(dāng)前傳輸完成，即總線空閑后才可以開始，圖1描述了PCI總線設(shè)備與仲裁器的關(guān)系。

　　1.2 PCI總線仲裁規(guī)則約定

　?。?）仲裁器的仲裁算法必須保證所有的設(shè)備都能得到授權(quán)的機(jī)會(huì)，否則將會(huì)出現(xiàn)某個(gè)優(yōu)先級(jí)低的設(shè)備永遠(yuǎn)不能占有總線進(jìn)行事務(wù)操作的情況。

　?。?）如果FRAME無效，GNT可以在任意時(shí)間撤銷，以便服務(wù)于另一個(gè)主設(shè)備或者作為對(duì)主設(shè)備車REQ的響應(yīng)。

　?。?）如果GNT信號(hào)被撤銷但FRAME有信號(hào)，當(dāng)前的總線正在傳輸數(shù)據(jù)，則操作合法。

　?。?）如果總線不處于空閑狀態(tài)，則允許一個(gè)GNT的撤銷和另一個(gè)GNT的發(fā)生在同一個(gè)周期，如果處在空閑狀態(tài)，則要求一個(gè)GNT撤銷到下一個(gè)GNT的發(fā)出之間必須有一個(gè)時(shí)鐘周期間隔，否則可能會(huì)在AD線和PAR線上出現(xiàn)沖突。

　?。?）GNT信號(hào)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。仲裁器會(huì)按照特定的仲裁算法來決定是否仍判給該主設(shè)備。

　　（6）一個(gè)主控器可以在任意時(shí)刻撤銷其REQ信號(hào)，REQ信號(hào)一旦撤銷，仲裁器將認(rèn)為該設(shè)備不再請(qǐng)求使用總線，因而撤銷其GNT信號(hào)。

　?。?）如果當(dāng)前的主控器在它的GNT信號(hào)發(fā)出后，持續(xù)16個(gè)空閑周期還沒有開始總線操作，則仲裁器視其為超時(shí)，仲裁器可以在任意時(shí)刻撤銷GNT信號(hào)。

　　1.3 PCI總線仲裁的算法

　　目前，應(yīng)用于PCI總線仲裁的算法主要有固定優(yōu)先級(jí)算法和動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)算法兩種，在固定優(yōu)先級(jí)算法中，各個(gè)設(shè)備的優(yōu)先級(jí)是事先確定好的，仲裁器針對(duì)事先設(shè)定好的優(yōu)先級(jí)為每個(gè)設(shè)備分配使用權(quán)。最常用的是循環(huán)優(yōu)先級(jí)算法，即每次仲裁授權(quán)后將排隊(duì)中的設(shè)備優(yōu)先級(jí)加1。因其算法簡(jiǎn)單，且對(duì)大部分應(yīng)用都十分有效。

　　1.4 總線停靠

　　當(dāng)PCI總線空閑時(shí)，一個(gè)設(shè)備從申請(qǐng)總線到被授權(quán)使用，最小也需要2個(gè)時(shí)鐘周期，這對(duì)于PCI總線是一種浪費(fèi)。因此仲裁器通常選中一個(gè)最經(jīng)常占用總線的設(shè)備，PCI總線空閑時(shí)將GNT＃賦予它，這叫做總線停靠。當(dāng)總線空閑時(shí)，該設(shè)備需要占用總線時(shí)可馬上得到批準(zhǔn)。

　　2 雙主設(shè)備PCI總線仲裁器的實(shí)現(xiàn)

　　下面描述了一個(gè)具有兩個(gè)設(shè)備的總線仲裁器的硬件實(shí)現(xiàn)，其一為TriMedia嵌入式DSPCPU PNX1300，其二為Intel i82559網(wǎng)絡(luò)控制器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　該仲裁器的接口信號(hào)如表1所示。

　　為了設(shè)計(jì)方便起見，在程序中設(shè)計(jì)三類狀態(tài)機(jī)：總線狀態(tài)狀態(tài)機(jī)、總線主設(shè)備查詢狀態(tài)機(jī)、仲裁狀態(tài)機(jī)。

　　2.1 總線狀態(tài)狀態(tài)機(jī)

　　總線狀態(tài)狀態(tài)機(jī)用于記錄總線事務(wù)的狀態(tài)，定義如下：

　　type bus_state is（IDLE，BUSY，LAST_DATA，F(xiàn)INISH）

　　四種狀態(tài)分別表示總線空閑、忙、最后一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸期以及傳輸完成。狀態(tài)圖如圖3。

　　下面是以VHDL代碼形式實(shí)現(xiàn)的該狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系。

　　2.2總線主設(shè)備查詢狀態(tài)機(jī)

　　總線主設(shè)備查詢狀態(tài)機(jī)用來決定當(dāng)前是否需要重新指定一個(gè)主設(shè)備，重新指定一個(gè)主設(shè)備的條件是：（1）當(dāng)前被授權(quán)的設(shè)備已開始傳輸；（2）當(dāng)前被授權(quán)的設(shè)備沒有開始傳輸并且超時(shí)。將主設(shè)備查詢狀態(tài)分為IDLE、GNT1、GNT2、WAIT_NOBUSY和WAIT_BUSY2五個(gè)狀態(tài)，并設(shè)置計(jì)數(shù)器count，當(dāng)總線上某個(gè)設(shè)備被授權(quán)，16個(gè)周期仍然沒有開始操作，count超過16，被視為超時(shí)，仲裁器可以撤銷其仲裁授權(quán)，并傳授其他設(shè)備，程序根據(jù)這個(gè)狀態(tài)機(jī)的輸出結(jié)果決定仲裁狀態(tài)機(jī)是否改變。

　　狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖4所示，狀態(tài)機(jī)描述的VHDL代碼略。

　　主設(shè)備查詢狀態(tài)機(jī)的輸出信號(hào)search_master：

　　該狀態(tài)機(jī)的驅(qū)動(dòng)條件是由總線狀態(tài)狀態(tài)機(jī)的輸出結(jié)果、仲裁狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)以及計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的超時(shí)信號(hào)組成。該狀態(tài)機(jī)的輸出search_master作為仲裁狀態(tài)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換使能信號(hào)，該信號(hào)有效時(shí)，仲裁狀態(tài)機(jī)才進(jìn)行當(dāng)前狀態(tài)的改變。

　　2.3 仲裁狀態(tài)機(jī)

　　仲裁狀態(tài)機(jī)表示總線仲裁器的狀態(tài)，定義如下：

　　狀態(tài)轉(zhuǎn)變過程如圖5所示，狀態(tài)機(jī)描述的VHDL代碼略。

　　仲裁器根據(jù)仲裁狀態(tài)機(jī)當(dāng)前狀態(tài)控制仲裁授權(quán)信號(hào)的給出。

　　2.4仿真波形圖

　　由圖6可看出，測(cè)試文件模擬了一個(gè)設(shè)備申請(qǐng)和兩個(gè)設(shè)備同時(shí)申請(qǐng)的情況，并給出了總線授權(quán)信號(hào)，驗(yàn)證了仲裁器邏輯的正確性。

　　2.5 資源占用情況分析

　　可編程邏輯器件使用Lattice公司的ispLSI2064E135LT100，在ispLever中綜合本例程序，結(jié)果如表2。

　　綜合后的延遲分析顯示，該邏輯的時(shí)鐘周期最小為7.5ns，即該邏輯可以運(yùn)行在133MHz以下的系統(tǒng)中，完全可以勝任33MHz PCI總線的仲裁工作。