基于FPGA的PCI接口设计

出处：jinggx 发布于：2007-05-25 13:19:48

摘要：介绍一种使用PCI宏核逻辑进行的更加简单高效的PCI口设计方法。该方法将PCI接口和PCI用户逻辑集成在一片FPGA里，可以对整个逻辑进行仿真调试，大大缩短了开发周期、提高了系统集成度和性能。重点叙述了ALTERA公司提供的32位TAGET接口宏核pci_t32的原理和结构，分析了时序设计要点，给出了典型应用的逻辑设计框图和注意事项。
关键词：PCI总线接口现场可编程逻辑阵列仿真

1 PCI总线及其接口概述
PCI总线是高速同步总线，具有32bit总线宽度，工作频率是33MHz，传输率为132Mbyte/s，远远大于ISA总线5Mbyte/s的速率。PICMG(PCI工业计算机制造商联盟)制定的更加坚固耐用的Compact PCI总线规范，支持64位总线宽度，66MHz作频率，传输率为528Mbye/s。基于PC机的高速数据采集系统和各种虚拟仪器，几乎都选择了PCI总线。在现代高速通讯、测试等领域的嵌入式应用中，Compact PCI总线大有超过VME和VXI总线的趋势。PCI的高性能、高效率以及与现有标准的兼容性和充裕的发展潜力，是其它总线所不能及的，被计算机界公认为高瞻远瞩的局部总线标准。
PCI总线接口相对其它总线接口来说是比较复杂的，它不但有着严格的同步时序要求，而且为了实现即插即用和自动配置，PCI接口还必须有许多配置寄存器。根据用户设备的性质不同，PCI设备分为MASTER(主设备)和TARGET(从设备)，因此PCI接口类型也就分为MASTER和TARGET两种接口。概括地说，PCI接口主要包括PCI标准配置寄存器(64字节)、PCI 总线逻辑接口、用户设备逻辑接口、数据缓冲区等。
作为一般应用设计工程师，为缩短开发周期，没有必要自己去设计全部的复杂的接口逻辑，甚至可以不必完全理解PCI规范的细节，就能进行PCI用户设备的设计。目前，市场上有一些专用PCI接口芯片，如AMCC公司的S5920(TARGET接口)、S5933(MASTER接口)等。使用这些专用PCI接口芯片，设计者只需要使用地址线、数据线以及少数几个读写控制信号，就能实现PCI总线与PCI用户设备之间的连接，类似ISA总线接口那么简单方便。
随着FPGA (现场可编程逻辑阵列请介绍一下Flash的全面管理问题。) 技术的快速发展，万门以上乃至几十万门逻辑阵列的使用越来越普遍，FPGA的单片价格也大幅度下降。与专用PCI接口芯片相似，很多FPGA制造商都提供了PCI接口宏核逻辑(PCI MegaCore)。设计者可以将PCI用户逻辑与PCI MegaCore集成在一片FPGA里，并且可以在顶层通过仿真来验证PCI接口以及用户逻辑设计的正确与否，这样可以大幅度提高调试速度，缩短开发周期，提高电路板的集成度和系统的性能。
ALTERA公司提供了多种不同功能的PCI MegaCore，例如：pci _a(带有DMA的32位MASTER/TARGET接口)，pci_mt64(支持64位的MASTER/TARGET接口)，pci_mt32(32位的MASTER/TARGET接口)，pci_t64(支持64位的TARGET接口)，pci_t32(32位的TARGET接口)等。不同的PCI MegaCore占用的资源是不同的，设计者可以根据PCI用户设备的需求来选择。
本文将介绍ALTERA公司提供的简单的32位PCI TARGET接口宏核逻辑pci_t32。重点介绍利用pci_t32进行PCI接口设计的方法及应用注意事项，并给出具体设计实例。其它PCI MegaCore的设计方法与此相类似。本文不介绍有关PCI规范的细节内容。

2 Pci_t32 MegaCore的内部结构及外围信号
Pci_t32是ALTERA公司提供的简单的32位PCI TARGET接口宏核逻辑，支持33MHz和66MHz的PCI时钟。
Pci_t32内部结构包含如下几个模块：
PCI总线配置寄存器，是符合PCI规范2.2版规定的所有配置寄存器。配置寄存器用于识别设备、控制PCI总线功能、提供PCI总线状态等。
奇偶校验模块，用于对数据、地址、命令等进行奇偶校验。
PCI侧TARGET控制模块(PCI target control block)，用于控制pci_t32(作为TARGET)与PCI总线的各种操作。
用户设备侧TARGET控制模块(local target control block)，用于控制pci_t32(作为TARGET)与用户逻辑的各种操作。

用户设备侧地址/数据/命令/字节使能模块，接收和输出用户侧的所有地址/数据/命令/字节使能等信号。
Pci_t32内部功能模块及周边信号如图1所示。

左侧PCI信号是符合PCI规范的标准信号，在这里不多加解释。下面重点介绍右侧用户逻辑接口local信号：
L_aci 31 0 ，local侧地址、数据输入信号。
L_cbeni 3 0 ，local侧命令、字节使能输入信号，位定义及时序符合PCI规范。
L_dato 31 0 ，local侧数据输出信号。
L_adro 31 0 ，local侧地址输出信号。
L_beno 30 ，local侧字节使能输出信号，位定义及时序符合PCI规范。
L_cmdo30，local侧命令输出信号，位定义及时序符合PCI规范。
Lt_rdyn,local侧目标设备准备好信号(target ready),对pci_t32是输入信号。
Lt_discn,local侧目标设备通过置低该信号请求pci_t32向PCI 侧主设备发出断开连接信号(disconnect request),对pci_t32是输入信号。
Lt_abortn,local侧目标设备通过置低该信号来请求pci_t32向PCI 侧主设备发出放弃操作信号，对pci_t32是输入信号。
Lt_irqn,local侧目标设备中断请求信号，对pci_t32是输入信号。
Lt_framen,PCI主设备通过pci_t32读写local侧目标设备时，pci_t32置低该信号(输出信号).
Lt_ackn,当为目标写操作时，PCI_t32置低该信号（输出信号），表示数据有效；当为目标读操作时，PCI_t32置低该信号(输出信号)，表示已准备好读数。
Lt_dxfrn，输出信号，表示local 目标设备数据传输成功。
Lt_tsr 11 0，输出信号，控制local目标设备状态寄存器。
Cmd_reg 5 0，配置命令寄存器输出信号。Bit0,I/O操作使能；bit1，Memory操作使能；bit2，保留；bit3，memory写无效使能；bit4，奇偶校验出错响应使能；bit5，系统出错响应使能。
Stat_reg 5 0 ，配置状态寄存器输出信号。

3 读写操作时序分析与设计要点
pci规范中定义了两种读写操作，即Memory和I/O的读写。Pci_t32的读写操作包括：32位的Memory单周期读写、Memory猝发读写、I/O单周期读写以及配置读写。Pci_t32 的Memory读写分为单周期和猝发两种模式，而I/O的读写只有单周期模式。所谓猝发模式，即在给出首地址后，主设备连续读写多个数据，用户设备应能对首地址自动加1。配置读写是指pci主设备对pci_t32的配置空间寄存器进行读写操作，pci主设备与pci_t32之间的接口是无缝连接。本文只分析32位Memory单周期读写时序，其它模式的读写时序大同小异，此略。
3.1 Memory 读操作
pci_t32的单周期memory read操作时序如图2所示。

时序分析及用户逻辑设计要点：pci主设备在第2个clk给出要读的目标地址ad 31 0 和Memory读命令cben 3 0 =6,pci_t32在第3个clk向用户设备给出读目标地址1_adro 31 0和Memory读命令l_cmdo 3 0 =6。用户设备要对l_cmdo 3 0 译码来判断是何种操作，对l_adro 31 0 译码来选择目标地址。在lt_framen输出为低的下个时钟周期，若用户设备逻辑准备好要输出的数据，可以置低lt_rdyn。若用户逻辑没有准备好，可以延迟置低lt_rdyn来产生延时等待周期。当lt_dxfrn输出为低电平时(第6个clk)，pci用户设备必须将目标地址的数据D0放到l_adi 31 0 ，用户逻辑可以用lt_dxfrn来作为存储单元的输出使能信号(/Output Enable)。这样，在第7个clk的上升沿pci_t32可以采样到数据D0。在第8个clk的上升沿pci主设备可以得到数据D0。
3.2 Memory写操作
pci_t32的单周期memory 写操作时序如图3所示。

时序分析及用户逻辑设计要点：pci主设备在第2个clk给出要写的目标地址ad 31 0 和Memory写命令cben 3 0 =7，pci_t32在第3个clk向用户设备给出写目标地址l_adro 31 0 和Memory写命令l_cmdo 3 0 =7。用户设备要对l_cmdo 3 0 译码来判断是何种操作，对l_adro 31 0 译码来选择目标地址。在lt_framen输出为低的下个时钟周期，若用户设备逻辑准备好接收pci_32t写的数据，可以置低lt_rdyn。若用户逻辑没有准备好，可以延迟置低lt_rdyn来产生延时等待周期。当lt_dxfrn输出为低电平时(第7个clk)，pci_t32已经将输出的有效数据放在l_dato 31 0 上，pci用户设备必须在第8个clk的上升沿将l_dato 31 0 输出的数据D0锁存至目标地址l_adro 31 0 ，用户设备逻辑可以用第8个clk的上升沿来作为锁存器的锁存时钟，用lt_dxfrn作为锁存器的锁存使能信号(/Latch Enable)或存储单元的写使能信号(/Write Enable)。

4 应用设计实例及注意事项
笔者已经成功地将pci_t32用于一个compact PCI的TARGET控制模块中。在这个模块中，主设备Master通过pci_t32来读写64个32bit控制寄存器，再由这些寄存器组去控制外部设备。在本系统的FPGA里，还有仲裁器等其它逻辑，PCI时钟是33MHz，芯片选用的是EPF10K100EQC240-2。系统逻辑设计的框架如图4所示。

在寄存器组里还有一些简单的选通、三态控制等逻辑，此略。L_adro 6 0 译码选择寄存器组里的目标寄存器。当/WE有效时，l_dato 31 0 上是pci_t32输出的有效数据；当/OE有效时，寄存器组必须将要输出的数据放到l_adi 31 0 总线上。
在使用pci_t32时，还有一些值得注意的地方，如下所述：
1 用户逻辑的时钟(本系统的寄存器组的时钟clk)与进入pci_t32的时钟必须是同一个时钟，并且在定义管脚时应选用全局时钟线(global clock)。这样，可以保证时钟的同步，提高系统的性能。
2 从库中调出pci_t32.gdf的symbol，在其右上角，可以看到一些默认设置，双击这些参数，可以改变设置。包括：DEVICE_ID、REVISION_ID、CLASS_CODE、VENDOR_ID、基地址等PCI标准配置寄存器。
3 选择芯片主要考虑两个因素：
容量和速度。芯片容量包括片内的逻辑单元和可用I/O管脚数。芯片速度主要由PCI系统工作的时钟频率以及用户逻辑的大小和优化程度两方面决定。
Pci_t32的资源占用较小，在用EPF10K100EFC484-1芯片编译时，占用62１个LC(Logic Cell)。而PCI宏核pci_a，在用EPF10K100EFC484-1芯片编译时，占用923个LC。EPF10K100共有约5000个LC。
Altera的FPGA有多种容量和速度级，一般来说，-1速度级的芯片可以满足66MHz时钟的PCI时序要求，-2速度级的芯片只能满足33MHz时钟的PCI时序要求。
速度和容量是否能满足用户的要求，必须要进行仿真才能终确定。
现在FPGA的价格日渐下降，大容量的FPGA使用越来越普遍。各家芯片供应商都提供了各种 PCI宏核逻辑。设计者可以将PCI用户逻辑与PCI接口宏核逻辑集成在一片FPGA里，在顶层通过仿真来验证PCI接口以及用户逻辑设计的正确与否。这样，可以大幅度提高调试速度，缩短开发周期，提高电路板的集成度和系统性能。可以肯定地预言，使用PCI接口宏核逻辑来进行PCI接口设计是今后设计PCI接口的主要方法。PCI接口宏核逻辑将会受到越来越多的设计工程师的青睐。

参考文献
1 ALTERA Device Data book 1999．ALTERA，1999
2 PCI MegaCore Function User Guider，Version 1.0．ALTERA，1999年12月
3 金革．可编程逻辑阵列FPGA和EPLD．合肥：中国科技大学出版社，1996

4 PCI datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/PCI_1201469.html.
5 Memory datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/Memory_1082507.html.
6 EPF10K100EFC484-1 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/EPF10K100EFC484-1_2527956.html.
7 EPF10K100 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/EPF10K100_300894.html.