摘 要 ：PCI是一種高性能的局部總線規范，可實現各種功能標準的PCI總線卡。本文簡要介紹了PCI總線的特點、信號與命令，提出了一種利用高速FPGA實現PCI總線接口的設計方案。

關鍵詞 ：PCI總線；信號；命令；協議

在現代數據采集及處理系統中，ISA、EISA、MCA等擴展總線已無法適應高速數據傳輸的要求，而PCI局部總線以其優異性價比和適應性成為大多數系統的主流總線。

PCI總線特點

--- PCI總線寬度32位，可升級到64位；最高工作頻率33MHz，支持猝發工作方式，使傳輸速度更高；低隨機訪問延遲(對從總線上的主控寄存器到從屬寄存器的寫訪問延遲為60ns)；處理器/內存子系統能力完全一致；隱含的中央仲裁器；多路復用體系結構減少了管腳數和PCI部件；給于ISA、EISA、MAC系統的PCI擴展板，減少了用戶的開發成本；對PCI擴展卡及元件能夠自動配置，實現設備的即插即用；處理器獨立，不依賴任何CPU，支持多種處理器及將來更高性能的處理器；支持64位地址；多主控制允許任何PCI主設備和從設備之間進行點對點訪問；PCI提供數據和地址的奇偶校驗功能，保證了數據的完整性和準確性。

PCI接口開發現狀

--- 目前開發PCI接口大體有兩種方式，一是使用專用的PCI接口芯片，可以實現完整的PCI主控模塊和目標模塊接口功能，將復雜的PCI總線接口轉換為相對簡單的用戶接口。用戶只要設計轉換后的總線接口即可，縮短了開發周期，缺點是用戶可能只用到部分PCI接口功能，這樣造成了一定的邏輯資源浪費，也缺乏靈活性，很可能增加板上的組件，導致產品成本的增加和可靠性的降低。二是使用可編程器件，采用FPGA的優點在于其靈活的可編程性，首先PCI接口可以依據插卡功能進行最優化，而不必實現所有的PCI功能，這樣可以節約系統的邏輯資源。而且，用戶可以將PCI插卡上的其他用戶邏輯與PCI接口邏輯集成在一個芯片上，實現緊湊的系統設計。當系統升級時，只需對可編程器件重新進行邏輯設計，而無需更新PCB版圖?，F在已經有越來越多的用戶使用可編程器件如FPGA、CPLD等進行PCI設備的開發。

--- 本文所論述的PCI接口控制器是作為一個轉換接口工作于PCI總線與用戶設備之間，也可以認為其主要功能是起一個橋梁作用，完成用戶設備與PCI總線間的信息傳送。

PCI接口設計

--- 在PCI板卡的設計中，核心設計有時序控制和配置空間兩部分。時序控制保證了板卡能按正常的PCI時序工作，配置空間部分保證了板卡的即插即用功能。在進行FPGA設計時本設計使用的軟件是Altera的MAX+PLUSII，開發芯片是EPF10K20RC240-3。

● PCI接口配置空間的實現

--- PCI總線定義了3種物理地址空間，分別是存儲器地址空間、I/O地址空間和配置地址空間。
--- 配置空間是PCI所特有的一種空間，其目的在于提供一套適當的配置措施，使之滿足現行的和可預見的系統配置機構。配置空間是一長度為256字節并且有特定記錄結構的地址空間，可以在系統自舉時訪問，也可在其他時間訪問。該空間分為首部區和設備有關區兩部分，設備在每個區中只須實現必要的和與之相關的寄存器。配置空間的基地址寄存器提供了一種為設備指定存儲空間或I/O空間的機制。操作系統在啟動的時候要判斷系統中有多少存儲器、系統中的I/O設備需要多少地址空間，然后根據得到的結果，自動配置系統的存儲空間和I/O空間，實現設備無關管理。在本設計中，那些只讀的配置寄存器通過硬件連線到相應的值，因而不占用宏單元。通過配置寄存器，配置軟件可了解目標設備的存在、功能及配置要求。

--- (1)廠商ID：此16位的只讀寄存器定義了設備的生產廠商，可以使用MACH芯片最初的生產廠商－AMD公司的ID值1022。
--- (2)設備ID：該值由生產廠商分配以識別其產品，可為除00000000H和0FFFFFFFFH中的任意值。
--- (3)命令寄存器：此寄存器控制了設備響應PCI訪問的能力。位1、6、8在本設計中被實現。本設計要求實現對存儲空間的訪問，位1設置為1，則設備響應PCI對存儲器訪問；位6控制了設備對奇偶校驗錯誤的響應；當位8被設置為1時，設備能夠驅動SERR線，0則禁止設備的SERR輸出驅動器。在這里當系統復位后，位1、6、8被設置為0。
--- (4)狀態寄存器：此寄存器記錄了PCI相關事件的信息。在本系統中，位9、10、11、14、15被設計實現。位10∶9為設備選擇(DEVSEL#)定時，00B為慢速，01B為中速，10B為快速，11B保留。本設計這兩位被硬件連線為01B。當目標設備失敗時，位11被設置為1，當發生系統錯誤時位14置1，發生奇偶校驗錯誤時位15置1。
--- (5)基地址寄存器：該寄存器用來映射設備的存儲器地址空間，與設備地址空間大小相應的低位被強制為0，因此在配置寫交易中，配置軟件通過對這個寄存器的所有位寫1，然后再讀出該寄存器的值來決定設備存儲器所占用的地址范圍。位0用來定義設備是存儲器映射還是I/O映射，在本設計中，位0被設為低以表明目標設備為存儲器映射的。
如需要256字節的存儲空間，配置軟件寫入0FFFFFFFFH，本設備送出0FFFFFF00H，而配置軟件再次寫入基地址寄存器的值與本設備的0FFFFFF00H相與的結果就是基地址值，如配置軟件再次寫入0CD000000H則基地址值為0CD000000H。
--- (6)類代碼寄存器：這個24位的只讀寄存器用來說明設備的基本功能和它的可編程接口。這里，此寄存器被強制為018000H，即設備為大容量存儲控制器。
--- (7)首部類型寄存器：這個只讀寄存器的位0～6定義了首部格式，位7說明了設備為單功能還是多功能。首部類型1為PCI-PCI橋定義，首部類型2則用于PCI CardBus橋。在本設計中寄存器被強制為0來顯示其為單功能設備且首部類型為0。

● 時序控制

--- 在時序控制程序中采用狀態機模型來實現不同時序的轉換。各種命令、數據交換、控制均在狀態機的管理下進行工作。PCI總線上的信號是并行工作的，因此，對應每個狀態必須明確其執行的任務。這些任務要用VHDL的進程語句來描述所發生的事件。本設計中的狀態機共使用了6種狀態，它以從設備響應狀況為依據，主要以DEVSEL#信號和TRDY#信號的狀況為依據。狀態機如圖1所示，分別對應空閑狀態(此狀態DEVSEL#、TRDY#和STOP#以及其他輸出信號為高阻態)；準備狀態、DEVSEL#和TRDY#均為高電平狀態，DEVSEL#為低電平且TRDY#為高電平狀態，DEVSEL#和TRDY#均為低電平狀態；操作結束狀態(此狀態使DEVSEL#、TRDY#和STOP#維持一個周期高電平)。本系統接到復位信號后對系統進行復位，然后轉入空閑狀態，在空閑狀態中采樣總線，并根據總線的變化來決定下一個時鐘上升沿后狀態機轉入何種狀態，這些時序和程序中用到的信號都是基本且必須的，在進行開發時可以根據需要增添必要的狀態和信號，VHDL對狀態機的描述如下。

--- type pci_state is (Idle, Ready, DevTrdyHi, DevLoTrdyHi, DevTrdyLo, OprOver);
signal c_state :pci_state;
--- Idle為空閑狀態；Ready為準備狀態；DevTrdyHi表示DEVSEL#和TRDY#均為高電平狀態；DevLoTrdyHi表示DEVSEL#為低電平且TRDY#為高電平狀態；DevTrdyLo表示DEVSEL#和TRDY#均為低電平狀態；OprOverr表示操作結束狀態。
程序如下。

process(pci_rst,pci_clk)
begin
if pci_rst = '0' then
c_state <= Idle;
elsif pci_clk'event and pci_clk='1' then
case c_state is
when Idle=>
if pci_frame_l='1' and pci_irdy_l='1' then
c_state <= Idle;
elsif pci_frame_l='0' then
c_state <= Ready;
else
c_state <= c_state;
end if;
when Ready=>
if pci_frame_l='1' and pci_irdy_l='1' then
c_state <= OprOver;
else
c_state <= DevTrdyHi;
end if;
when DevTrdyHi=>
if pci_frame_l='1' and pci_irdy_l='1' then
c_state <= OprOver;
else
c_state <= DevLoTrdyHi;
end if;
when DevLoTrdyHi=>
if pci_frame_l='1' and pci_irdy_l='1' then
c_state <= OprOver;
else
c_state <= DevTrdyLo;
end if;
when DevTrdyLo=>
if pci_frame_l='1' and pci_irdy_l='1' then
c_state <= OprOver;
elsif pci_frame_l='1' and pci_irdy_l='0' and trdy_l='0' then
c_state <= OprOver;
else
c_state <= c_state;
end if;
when OprOver=>
c_state <= Idle;
when others=>
c_state <= Idle;
end case;
end if;
end process;

--- 下一步應列出每個狀態所對應的并發事件，寫出相關的進程。進程語句是一個并行語句，它定義進程被激活時將要執行的特定行為。例如，在Ready狀態時，就要判斷從主設備方發來的地址信息是否與從設備地址相同，因此要寫出地址比較進程。
--- address_compare：process(pci_rst，pci_clk)，主要內容是對地址譯碼，判斷地址是否在從設備空間，如果在此空間則可做下一步動作，否則不做其他動作。

--- 從以上分析過程可以得到整個設計思路如下：在時鐘的上升沿采樣FRAME#、地址和命令，如果FRAME#有效則譯碼地址和命令，如果總線命令為011x，并且總線上的地址在目標地址范圍內，表明這是對本設備的存儲器操作；或者總線命令為101x，且IDSEL信號有效，表明這是對本設備配置空間的操作。在這兩種情況下，根據總線命令的最后一位確定是讀操作還是寫操作，有效DEVSEL#和TRDY#信號，開始數據傳輸；并在傳輸過程中采樣FRAME#和IRDY#信號，確認最后一個數據周期，無效DEVSEL#和TRDY#信號，結束數據傳輸。
--- 通過以上設計，在MAX+PLUSII環境下的其中一組模擬結果如圖2所示。