双口RAM在PCI总线与AVR接口设计中的应用

摘要：为了提高PCI总线与AVR单片机之间的数据传输速度，利用双口RAM通过共享的方式实现PCI总线与AVR单片机之间的高速数据交换。利用有限状态机方法将PCI接口芯片局部端逻辑转换为双口RAM读写控制信号和地址数据信号，并通过仿真工具Modelsim Se对接口电路进行了验证，得出的仿真波形符合要求；利用乒乓操作方法实现PCI接口芯片和AVR单片机交替读／写数据存储区，有效提高了PCI总线与AVR单片机之间的数据传输速度。实践证明该设计方法是解决高低速设备的传输瓶颈问题的有效途径。
关键词：双口RAM；AVR；CPLD；状态机；乒乓操作

由于PCI总线工作在频率33 MHz，AVR单片机工作在16 MHz，它们之间时钟不同步，要进行有效通信，必须在它们中间设置数据缓冲区，作为双方交换数据的单元。双口RAM正好解决了这个问题，它既作为PCI总线的局部空间又作为AVR单片机的外部扩充存储器，通过交替读／写达到交换数据的目的。下面以PLX公司的PCI总线接口芯片PCI9052和IDT公司的双口RAMIDT7006为例，介绍实现数据交换的方法。

1 PCI9052和IDT7006
1．1 PCI9052简介
PCI9052是PLX公司为扩展适配板卡推出的低价位PCI总线目标接口芯片，低功耗，符合PCI V2．1规范，它的本地总线(Local Bus)可以通过编程设置为8／16／32位的复用或非复用总线。其主要性能特点如下：
(1)异步操作。PCI9052的Local Bus与PCI总线的时钟相互独立运行，两总线的异步运行方便了高、低速设备的兼容。Local Bus的时钟频率范围为0～40 MHz，TTL电平；PCI的时钟频率范围0～33MHz。
(2)可编程的局部总线配置。PCI9052支持8位、16位或32位Local Bus，它们是复用或非复用。PCI9052有4个字节允许信号(LBE[3：0]#)，26条地址线(LA[27：2])和32位、16位、8位数据线(LAD[31：0])。
(3)直接从(目标)数据传送模式。PCI9052具有双向FIFO，可用于零等待状态突发操作，支持从PCI总线到Local Bus的存储器映射空间的突发传送和I／O访问。Local Bus能被设置成突发或持续单周期。
(4)4个局部片选。PCI9052提供4个片选，每个片选的基地址和范围被E2PROM或主机编程成唯一的。
(5)5个局部地址空间。PCI9052提供5个局部地址空间，每个局部地址空间的基地址和范围可以被E2PROM或主机编程成惟一的。
1．2 IDT7006简介
IDT7006是美国IDT公司开发研制的高速16K×8 B双口静态RAM。该双口RAM提供两个独立的具有控制、地址和I／O引脚的端口。其主要性能特点如下：可同时访问双端口同一存储器空间；高速存储访问，访问速度最高可达到15 ns；低功耗运行；双片选，允许不需要外部逻辑的深度扩展；使用级联和主从选择引脚可以扩展IDT7006的数据总线宽度到16位或更宽；具有硬件仲裁方式、中断仲裁方式和信号灯仲裁方式，来防止访问冲突。

2 PCI9052和IDT7006的时序转换
为将PCI9052的局部信号逻辑转换为双口RAMIDT7006的读／写控制信号逻辑，采用有限状态机的方法来实现它们之间的逻辑转换。在可编程器件设计中，状态机的设计方法是应用最广泛的设计方法之一，它是一种简单、结构清晰、设计灵活的方法，易于建立、理解和维护，特别应用在具有大量状态转移和复杂时序控制的系统中，更显其优势。设计中用VerilogHDL描述的状态机来实现接口的时序转换。
2．1 硬件连接
硬件上采用可编程逻辑器件MAXⅡ(EPM240)来实现PCI9052和IDT7006的接口电路，PCI9052采取非复用、8 b局部总线宽度和单周期读／写方式，信号连接关系如图1所示。

2．2 有限状态机
PCI9052局部总线有4个基本的状态：空闲状态、地址状态、数据／等待状态和恢复状态。一旦局部总线的主设备拥有总线并需要开始一个总线访问，则进入地址状态，有效，此时一个有效的地址出现在地址／数据总线上；数据传输是在数据／等待状态进行的，或者内部等待产生器用来在此状态插入等待状态；在最后的数据／等待状态有效，用来申明最后的数据传输；在地址／数据复用的模式下，所有数据传输完毕后，总线会进入恢复状态；随后总线回到空闲状态，等待下一次的总线访问。
整个状态机分为外状态机和内状态机两个大的部分，外状态机识别PCI9052的读周期和写周期，并转移到相应的内部状态机，然后内部状态机再进行读／写的内部状态转移，通过不同的状态输出不同的双口RAM读／写控制等信号，达到时序转换的目的。外状态机状态转移图如图2所示。

内状态机中写状态机有5个状态：S0，写空闲状态；S1，写开始；S2，写等待；S3，单周期写；S4，写结束。具体的状态转移图如图3所示。

时，状态机进入单周期写状态，输出无效且无效，状态