基于EP2SGX系列FPGA的PCI接口设计

在现代雷达数据处理系统和其他应用系统中，传统的ISA、EISA等总线已逐渐无法适应高速数据传输的要求。而PCI局部总线以其高性能、低成本、使用方便和适应性等优点成为大多数系统的主流总线。其中常用的33 MHz、32位的PCI总线尖峰传输速率为132 MB／s。PCI总线接口相对其他总线接口来说是比较复杂的，它有着严格的同步时序要求，且为了实现即插即用和自动配置，PCI总线的配置空间有许多配置寄存器需要设置。本文在简要介绍PCI总线及其特点的基础上，介绍了如何利用FPGA设计PCI总线的接口电路，并给出了设计PCI总线接口时应注意的一些问题。

1 PCI总线与数据传输规范

PCI总线信号可划分为如图1所示的几种类型。其中64位总线扩展信号、资源锁存信号和边界扫描信号是可选的。



PCI总线上的数据传送是基于猝发传送的机制，一个猝发传送包括一个地址相和一个或多个数据相。基本的PCI传输由FRAME#、IRDY#和TRDY#信号控制。当数据有效时，数据资源需要无条件设置xRDY#信号(写操作为IRDY#，读操作为TRDY#)。接收方可在适当时间发出它的xRDY#信号。FRAME#信号有效后的第一个时钟上升沿是地址周期的开始，此时传送地址信息和总线命令。下一个时钟上升沿开始一个(或多个)数据周期，当IRDY#和TRDY#同时有效时，数据在主、从设备之间传送。在此期间，可由主设备或从设备分别利用IRDY#和TRDY#的无效而插入等待周期。PCI总线传输包含读、写和中止3个内容，图2和图3所示的时序图显示了PCI总线读、写操作的传输过程。





2 设计考虑及芯片选择

目前PCI接口主要有2种实现方式：使用专用接口芯片和采用可编程器件。专用芯片如PLX公司的9050等，专用芯片可以实现完整的PCI主控模块和目标模块接口功能，将复杂的PCI总线接口转换为相对简单的用户接口。缺点是缺少灵活性，用户可能只用到了部分的PCI接口功能，造成了一定的逻辑资源浪费。采用FPGA的优点在于其灵活的可编程性，首先PCI接口可以依据插卡功能进行最优化设计，而不必实现所有的PCI功能，可以节约系统的逻辑资源。其次可以将PCI插卡上的其他用户逻辑与PCI接口逻辑集成在一个芯片上，实现紧凑设计。再者当系统升级时，只需对可编程器件重新进行逻辑设计，而无需更新PCB版图。

PCI总线是同步总线，时序要求比较严格，比如：Tval最大为11 ns，Tprop最大为10 ns，Tsu最小为7 ns，Th为0 ns，此外，PCI总线接口还需要一定数量的宏单元和I／0引脚。在本设计中，为了同时实现光纤数据传输等其他的逻辑功能，选用了ALTERA公司StratixIIGX系列中型号为EP2SGX90EF1152的一款FPGA芯片。该芯片主要性能如下：片内90 960个逻辑单元；4．5 Mb的RAM资源；支持12路高速串行收发器通道，每路传输速率高达6．375 Gb／s；接口电平支持：LVTTL、LVDS、LVPECL。3．3－V PCI等众多I／O标准。EP2SGX系列芯片内部有专门支持PCI电气特性的区域(Bank)，非常适合于PCI接口的开发。

3 PCI接口设计实现

本设计利用ALTERA公司的QuartusIl7．2软件和硬件描述语言，采用自顶向下的设计方法进行PCI接口的逻辑设计，并利用QuartusII软件对设计进行了功能和时序仿真。

设计的具体流程如下：首先从总体上考虑：PCI接口作为一个功能模块，嵌入在FPGA内部，内侧面向用户逻辑，外侧通过芯片的I／O管脚与PCI总线相连。在用户端，需要把复杂的PCI总线命令转换为便于用户使用的类似ISA总线的命令格式，把地址线与数据线分离，并产生单独的读写控制信号。其次，根据总体要求，进行顶层设计和内部模块划分。最后，对具体的功能模块用软件编程实现并进行功能仿真。

本设计中PCI接口的总体框图如图4所示。由图4可知，PCI接口主要由地址／命令锁存和译码、内部通信、外部通信和总线状态机、中断处理等模块组成。



3．1 地址／命令锁存和译码

由于PCI总线为地址和数据复用型总线，在使用中需将地址和数据进行分离，首先要对PCI总线上的32位地址／数据总线锁存。译码是对来自主机的PCI总线命令信号CBE[3．．0]和IDSEL信号进行识别，并相应地向内部逻辑发出配置空间读写操作、I／O读写操作、存储器读写操作等信号。

3．2 外部通信

外部通信接口主要完成对PCI总线的应答，并发出相应的信号。对于渎写操作，接口发出DEVSEL#信号响应PCI的FRAME#信号，完成握手。PCI协议规定了在交易期间对地址／数据总线和命令／字节使能总线进行奇偶校验。读交易期间，接口被要求驱动PAR信号线；写交易期间，目标将计算AD[31．．0]和CBE[3．．0]上的奇偶性，并把PERR信号送给PCI。

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