PCI总线协议的FPGA实现及驱动设计

　　现在市面上存在着各种ＰＣＩ接口芯片，如ＡＭＣＣ公司的Ｓ５９３３，ＰＬＸ的９０８０系列等。专用芯片可以实现完整的ＰＣＩ主设备与从设备模式的接口功能，将复杂的ＰＣＩ总线接口转化为相对简单的用户接口，但系统结构受接口芯片的限制，不能灵活地设计目标系统，且成本较高。本文使用符合ＰＣＩ电气特性的ＦＰＧＡ芯片进行简化的ＰＣＩ接口逻辑设计，实现了３３ＭＨｚ、３２位数据宽度的ＰＣＩ从设备模块的接口功能，节约了系统的逻辑资源，且可以将其它用户逻辑集成在同一块芯片上，降低了成本，增加了设计的灵活性。另外，还给出了Ｗｉｎｄｏｗｓ９ｘ系统下的设备驱动程序，可以与应用程序接口，形成一个完整的系统。目前，本系统已经被印染企业应用在数据采集和处理等方面。
　　
　　１ 系统构成与功能描述
　　
　　系统的总体框图如图１所示。

　　由图１可见，系统的硬件平台为一块ＰＣＩ卡。此卡的结构十分简洁，主要由ＦＰＧＡ芯片、ＲＡＭ芯片和输出接口三部分组成。其中，ＦＰＧＡ芯片集成了ＰＣＩ接口模块和数据处理模块。ＰＣＩ接口模块实现了３３ＭＨｚ工作时钟、３２位总线宽度的接口功能，支持Ｉ／Ｏ空间、内存空间及配置空间的读写和ＰＣＩ中断功能。由于简化的ＰＣＩ接口占用的逻辑资源较少，可以在同一块芯片中集成其他用户逻辑。作为一个应用实例，本文加入了一个数据处理模块，对ＰＣＩ接口传送来的数据进行处理，通过片外的输出接口输出到下位机。ＲＡＭ芯片为数据处理提供缓存功能。
　　
　　２ 从设备模式下的简化ＰＣＩ协议的实现
　　
　　为了实现ＰＣＩ接口的基本功能，必须完成以下几个模块：
　　
　　（１）ＰＣＩ配置空间设置。ＰＣＩ协议支持三种地址空间：Ｉ／Ｏ空间、内存空间和配置空间。配置空间提供了支持ＰＣＩ设备自动配置的机制，是必需的。
　　
　　（２）ＰＣＩ从设备状态机。ＰＣＩ总线状态机是具有ＰＣＩ总线的计算机系统的状态流，是由一个已知状态到另一个状态的条件、时序的描述。这是ＰＣＩ接口设计中最基本也是最重要的部分。
　　
　　（３）地址译码和命令译码。地址译码用来确定ＰＣＩ设备是否应当响应当前总线的操作；命令译码则用来指示ＰＣＩ设备根据不同的总线命令作出相应的动作。
　　
　　本文采用ＡＬＴＥＲＡ公司的Ｍａｘ＋ＰｌｕｓＩＩ软件平台，硬件描述语言使用ＡＬＴＥＲＡ ＨＤＬ语言，也可以方便地转换成ＶＨＤＬ或ＶｅｒｉｌｏｇＨＤＬ语言。在此之前，先引入ＰＣＩ总线信号的定义。
　　
　　２．１ 总线信号定义
　　
　　根据ＰＣＩ总线协议２．２版，从设备模式下ＰＣＩ接口至少包含４７根引脚。图２给出了按功能划分的引脚分布，左边是必需引脚，右边是可选引脚。为简化起见，本文采用了如下引脚，其他引脚均不使能或置为高阻态。

　　（１）由系统提供的３３ＭＨｚ的同步时钟信号ＣＬＫ和复位信号ＲＳＴ＃(＃表示低电平有效)；
　　
　　（２）关于数据传输的核心信号：３２位地址／数据复用线ＡＤ[３1:０]、总线命令／字节使能复用线Ｃ／ＢＥ[３:０]＃和偶校验信号ＰＡＲ；
　　
　　（３）接口控制信号ＦＲＡＭＥ＃、ＴＲＤＹ＃、ＩＲＤＹ＃、ＳＴＯＰ＃、ＤＥＶＳＥＬ＃和ＩＤＳＥＬ。其中，ＦＲＡＭＥ＃为数据传输起止信号，ＴＲＤＹ＃为主设备准备好信号，ＩＲＤＹ＃为从设备准备好信号，ＳＴＯＰ＃为从设备停止请求信号，ＤＥＶＳＥＬ＃为设备选择信号，ＩＤＳＥＬ为配置空间读写时的片选信号；
　　
　　（４）中断引脚ＩＮＴＡ＃。为简化ＰＣＩ协议，本文只实现了最重要的总线命令，表１给出了所支持的总线命令对应的Ｃ／ＢＥ[３:０]＃编码值。

　　２．２ 配置空间设置

　　配置空间大小为２５６字节，前６４字节必需，记录了ＰＣＩ设备的基本信息，比较重要的有：
　　
　　（１）ＶｅｎｄｏｒＩＤ、ＤｅｖｉｃｅＩＤ和Ｃｌａｓｓ Ｃｏｄｅ域：分别表示设备的生产厂商、设备编号和类型；
　　
　　（２）Ｃｏｍｍａｎｄ和Ｓｔａｔｕｓ域：分别给出了对ＰＣＩ设备的控制命令和当前状态；
　　
　　（３）Ｂａｓｅ Ａｄｒｅｓｓ Ｒｅｇｉｓｔｅｒ域：指示此ＰＣＩ设备按Ｉ／Ｏ方式还是内存方式进行读写以及需要的地址空间大小；
　　
　　（４）Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ Ｌｉｎｅ和Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ Ｐｉｎ域：分别指明了设备使用的中断号和中断引脚。 在对配置空间的访问中，用ＡＤ[７：２]寻址一个双字ＤＷＯＲＤ。在本设计中，配置空间设置如表２所示，各值的具体含义请参阅文献[１]。

　　２．３ 简化的从设备状态机
　　
　　在ＰＣＩ协议中，标准的从设备状态机包含五种状态，而且各状态的跳转条件比较复杂。本文在不违反ＰＣＩ协议的前提下，简化了从设备的状态机，如图３所示。