一种PCI总线仲裁器的设计与实现

摘要：以自行研制开发的PCI高速总线背板为背景，系统地论述了PCI总线的仲裁机制、总线的缺省占用、仲裁信号协定及优先级仲裁算法，给出了采用EPLD实现仲裁器功能的编程设计。

随着VLSI／ULSI技术的发展，可编程逻辑器件EPLD／FPGA越来越受到人们的青睐，由于它具有集成度高、速度快、开发周期短、费用低、用户可定义功能及可重复编程和擦写等许多优点，其应用领域不断扩大。这些器件的灵活性和通用性使得它们已成为研制和开发复杂数字系统的理想选择。

在PCI总线技术规范的基础上，采用EPLD实现了高速PCI总线背板中多主控设备的总线仲裁。

1 PCI总线的仲裁机制

PCI总线仲裁是基于访问而不是基于时间片，也就是说，对于一个PCI总线主设备，必须为它在总线上进行的每次访问提出仲裁要求。PCI总线上采用的是并行仲裁（也叫独立请求仲裁）方案，其仲裁机制如图１所示。在这种仲裁中，每个主控器各有自己独立的总线请求线＿REQ 和总线允许线＿GNT 与总线仲裁器相连，相互间没有任何控制关系。PCI总线的仲裁是“隐含的”，就是说一次仲裁可以在前一次总线访问期间完成，这样就使得仲裁的具体实现不必占用PCI总线周期。当然在总线空闲时除外。

当PCI总线进行操作时，发起者（Master）先置REQ#，当得到仲裁器（Arbiter）的许可时（GNT#），会将FRAME#置低，并在AD总线上放置Slave地址，同时C/BE#放置命令信号，说明接下来的传输类型。所有PCI总线上设备都需对此地址译码，被选中的设备要置DEVSEL#以声明自己被选中。然后当IRDY#与TRDY#都置低时，可以传输数据。当MaSTer数据传输结束前，将FRAME#置高以标明只剩最后一组数据要传输，并在传完数据后放开IRDY#以释放总线控制权。

在实际的PCI总线仲裁电路中，与仲裁直接有关的控制线除＿REQ和＿GNT外，还有＿FRAME、＿IRDY。此外，为了保证总线交换的同步，还应有一根总线时钟信号PCIclk和一根总线复位信号＿PCIrst，如图1虚线所示。

2 总线的缺省占用

总线（Bus）是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线，它是由导线组成的传输线束， 按照计算机所传输的信息种类，计算机的总线可以划分为数据总线、地址总线和控制总线，分别用来传输数据、数据地址和控制信号。

当总线空闲（其他器件都以高阻态形式连接在总线上）且一个器件要与目的器件通信时，发起通信的器件驱动总线，发出地址和数据。其他以高阻态形式连接在总线上的器件如果收到（或能够收到）与自己相符的地址信息后，即接收总线上的数据。发送器件完成通信，将总线让出（输出变为高阻态）。

所谓总线的缺省占用，就是指在当前没有设备使用总线或请求总线的情况下，允许仲裁器根据一定的方式选定一个设备作为总线缺省的拥有者，并向它发出＿GNT信号。选择的方式有多种，如可为某一固定设备，也可为最后一次使用总线的设备，当然也可以指定自己（仲裁器本身）为总线缺省的拥有者。

当仲裁器将某一设备确定为总线的缺省拥有者时该设备可以不通过发＿REQ信号就开始一次总线操作（只要总线空闲且＿GNT信号有效）。如果该设备需要做多次的数据传输，它就应当发出＿REQ信号，以便向仲裁器提出多次操作的请求；而如果该设备只要求做一次总线操作，它就不应当发出＿REQ信号，否则仲裁器可能在它不需要使用总线的情况下又给它发出＿GNT信号。

3 仲裁信号协定

综上所述， PCI总线的仲裁主要是通过＿REQ和＿GNT两个信号来实现的。前者用于某一设备要求占用总线的请求，后者用于允许某一设备占用总线的应答。只有总线仲裁器才可以指定谁是总线缺省的拥有者。

当仲裁器允许某一设备使用总线时，就向该设备发出＿GNT信号；相反，当仲裁器不再允许某一设备拥有总线控制权时，可以在任意时钟撤消该设备的＿GNT信号。如果＿GNT信号无效，这次操作就不可以进行。

PCI总线的仲裁信号之间必须遵循一定的协定，具体描述如下：

· 若总线不是处于空闲状态，有可能一个＿GNT的撤消碰巧是另一个＿GNT发出的同时，但如果是在空闲状态，则要求一个＿GNT撤消到下一个＿GNT的发出之间必须有一个时钟周期。否则可能会在AD线和PAR线上出现冲突；

· 当＿FRAME无信号时，＿GNT可以在任意时间撤消，以便服务于另一个主设备，或者作为对相应的＿REQ撤消的响应；

· ＿GNT信号的每次发出，只限于相应的总线主控器可以使用总线进行一次总线操作。若该主控器还想做多次总线访问时，可以保持它的_REQ信号一直有效。此时，如果没有其它请求，或者当前的主控器具有最高优先权，仲裁器就会继续