PCI总线从设备控制器的设计与实现

　　0 引言

　　随着星载电子系统复杂度、小型化需求的提高，片上系统（System on Chip SoC）已 经成为应对未来星载电子系统设计需求的解决途径。为了简化设计流程并且提高部件的可重 用性，在目前的SoC 设计中引入了称之为平台的体系结构模板,用它来描述采用已有的标准 核来开发SoC 的方法。本文所作的工作主要是按照建立SoC 集成设计平台的需求，根据当前 国际航天领域的技术现状，选择PCI(Peripheral Component Interconnect)总线作为SoC 集成设计平台所能提供的一种总线模块，根据可重用的IP（Intellectual Property）设计 思想对PCI 总线从设备控制器进行设计实现。

　　1 PCI 总线从设备控制器的设计

　　1.1 控制器的基本功能[1-2]

　　（1）数据传输功能：PCI 总线的传输包括PCI 与I/O 之间的传输(I/O 读和I/O 写)和 PCI 与存储器之间的传输(存储器读和存储器写)。

　　（2）错误检测与处理功能：在交易的地址段和数据段中，PCI 总线是被奇偶校验保护 的。在交易的地址段和数据段中，驱动AD 总线的设备负责为本阶段计算和提供奇偶校验位， 接收AD 总线数据的设备负责进行奇偶校验的检测、处理并给出相应的信息。

　　（3）命令/地址译码功能：根据一些控制信号将地址/数据和命令/字节使能线上的地址 和命令信号分离出来，得到相应的命令信号和读写操作的地址。

　　（4）配置功能：当机器第一次上电时，配置软件必须扫描在系统中的不同总线(PCI 和 其它)，确定什么设备存在和它们有什么配置要求。为了实现这个过程，每个PCI 设备必须 实现由PCI 规范定义的一组配置寄存器。依赖其操作特性、功能还可以实现由PCI 规范定义 的其它要求的或可选的配置寄存器。另外，还应保留许多附加的配置单元，以实现指定功能 的配置寄存器。

　　1.2 控制器的设计

　　在用Verilog HDL 语言进行PCI 总线从设备控制器设计之前, 首先要对PCI 总线从设备控制器的功能进行顶层设计[3], 将总线接口控制器按照功能分为有限状态机模块、奇偶校验 模块、配置空间配置模块、基地址检查模块、计数器模块、地址锁存模块和顶层模块这7 个模块[4], 控制器顶层模块设计中有pci_clk、pci_cbe_l 、bkend_abort_l、bkend_ad、 bkend_int_l、data_STop_l、data_read_l、pci_frame_l、data_write_l、pci_idsel、pci_devsel、 pci_irdy_l、pci_inta_l、pci_rst_l、pci_par、ready_l、pci_ad 等信号, 其中_ L 表示信号低电 平有效。

　　各个模块完成功能如下：

　　配置空间模块：PCI总线支持即插即用，从硬件的角度来看，其技术手段是为每一个PCI 设备提供一个配置空间，操作系统在自检(POST Power-On-Self Test)的过程中检测所有 PCI设备，读取设备的配置信息，并给每一个设备分配系统资源，如中断、I/O空间、存储器 空间等。配置空间包括一系列配置寄存器, 一般占用256个I/O地址,直接影响PCI 设备特性 的是PCI空间的前16个双字节的配置, 该区域称为PCI 配置头，一般PCI设备都要进行“类型 0”配置[1]。

　　配置空间是PCI地址空间中重要的一部分，主要有设备标识、设备控制、设备状态、基 地址定位及其它一些由特定设备所描述的功能这五部分。

　　这个模块中售主ID 用语句DEVICE_ID= 16’h0120 来定义，其它设备标识类似，命令寄 存器提供了产生和响应PCI 周期、粗略控制设备的能力。当idsel_reg, pci_irdy_l 有效, 且 pci_addr[7:2] == 6’h04 时，信号stat_com_en 有效，表示可以在配置写周期内对设备状 态及命令寄存器进行配置。将pci_dat[1:0]的值赋给com，由端口com 来控制一个设备响应 I/O 或是内存的访问。用输出信号ba0_size[31:4]、ba1_size[31:4]表示定义的I/O、内存 空间的大小。pci_dat_out[31:0] 在配置读时表示输出的设备配置信息，在其它情况下将从 设备产生的数据输出。ba0_en、ba1_en 分别表示在配置写时I/O、内存基地址寄存器的有效 性。ba0_en 或ba1_en 有效是在配置写期间对从设备进行配置的一个必要条件，int_line_en 是中断线寄存器有效位。

　　在所有的基地址寄存器中，第0 位均为只读位并且用来决定是存储器空间还是I/O 空间。 如果该位为0 则是映射到存储器空间，否则，若为1 表示映射到I/O 空间。

映射到I/O 空间的基地址寄存器宽度总是32 位，其中0 位恒为1（用硬件实现），1 位 为保留位并且其读出值必须为0，其余位用来把设备映射到I/O 空间。映射到存储器空间的 基地址寄存器可以是32 位或64 位。对于存储器基地址寄存器，在0 位上设置为0，位2 和 位1 将其设为00，表示基地址寄存器为32 位宽。将位3 设为1，表示数据可预