基于PCI总线的GP-IB接口电路设计与实现

前言

基于PCI总线的GP-IB接口电路框图如图1所示，工控机采用PCI-104堆栈结构，通过PCI总线和EPLD相连，数据总线为32bit，传输速率为33MHz。EPLD完成PCI总线接口电路的设计和NAT9914接口芯片的控制，通过驱动芯片75160和75162完成GP-IB的接口通信。在此重点介绍EPLD内部电路设计。

　　图1  GP-IB接口电路结构框图

EPLD内部电路设计

PCI局部总线很复杂，PCI局部总线也在不断的发展中，现在已经衍生有CPCI、PCI EXPRESS等总线标准。PCI局部总线定义的功能很强大，当然如果需要将所有的PCI局部总线的要求都能实现，购买PCI局部总线的专用集成电路或IP核是最佳选择，因为PCI局部总线的硬件设计过于庞大，全部实现有一定的难度。如果设备只是作为从设备，根据设计要求实现起来也不是很复杂，很多功能如仲裁、边界扫描及错误报告等功能就可以不用实现，甚至像奇偶校验、重试、突发传输等功能也可以不用实现。

根据GP-IB接口卡的功能，本文主要介绍在EPLD中实现PCI总线接口电路的设计，并且能够正确操作GP-IB总线协议的控制芯片NAT9914。EPLD的容量较小，我们采用XILINX公司的XC95288XL器件，只有288个宏单元，经过设计优化，最终成功装载。其实现原理框图如图2所示。

图2  EPLD内部电路框图

PCI接口信号设计
　　

设计PCI接口信号很关键，PCI总线规范定义的信号很多，在设计过程中必须有所取舍。下面按照PCI总线规范的要求，根据设计电路的实际需求，设计如下接口信号：

Rst : 上电复位信号，低电平有效。
　　
　　

Clk : 时钟信号33MHz。
　　

Cbe[3..0] : 命令、字节使能信号。
　　

Ad[31..0] : 地址、数据多路复用的三态输入/输出信号。
　　

Frame : 帧周期信号，由主设备驱动，表示当前主设备一次交易的开始和持续时间。
　　

Irdy : 主设备准备好信号。
　　

Trdy : 从设备数据准备好信号。
　　

Devsel : 从设备被选中响应信号。
　　

Inta ：从设备中断请求，低有效。

在设计时舍弃的信号有：Par、Stop、Perr、Serr、Req、Gnt。  

GP-IB接口芯片控制信号设计

根据电路要求，设计如下接口信号，用来完成对NAT9914和驱动芯片的控制，实现PCI到GP-IB接口的转换。

　　Target_clk: GP-IB接口控制芯片时钟，本方案设计为33MHz时钟的8分频。
　　Target_rst：复位脉冲信号，低电平复位。
　　Target_ce: 读写使能，高电平为读，低电平为写。
　　Target_sc：标识GP-IB接口卡作为控者，还是作为普通器件。
　　Target_we：写使能控制，低电平有效。
　　Target_int_l：控制芯片中断输出，低电平有效。
　　Target_abus：有效地址输出。
　　Target_dbus：三态数据输入/输出总线。
　　
　　

电路优化设计

图2给出了PCI总线接口电路的原理框图，由于EPLD容量较小，在设计时必须尽量减少不必要的电路设计，并对电路设计进行优化，下面给出各电路模块的功能设计：

译码电路

PCI总线命令编码方式有12种，在本设计中我们只实现配置读、配置写、存储器读和存储器写四种编码交易类型。译码功能电路工作在地址周期，包括命令译码、地址译码和命令/地址锁存等三项功能。在Frame变低的第一个时钟周期内，译码电路对来自主设备的命令Cbe[3..0]进行译码，并向状态机控制模块发出是配置读写还是存储器读写命令，同时锁存地址。

配置寄存器　

在PCI规范中，配置空间是一个容量为256字节并具有特定记录结构或模型的地址空间，该空间又分为头标区和设备有关区两部分。在配置寄存器中不用的寄存器当CPU读的时候,将默认为零。

重试
　　

GP-IB控制芯片寄存器响应完全能够满足PCI规范的要求，不需要进行重试，这部分功能不再实现。

奇偶校验　　

在BIOS中可以对奇偶校验进行屏蔽和开放，为了减少设计的复杂性，奇偶校验功能在EPLD中没有实现，在BIOS中进行了屏蔽。

NAT9914接口控制电路

NAT9914接口控制电路主要完成内部总线到外设的时序控制。GP-IB总线接口采用的是负逻辑电平设计，考虑到EPLD的容量有限，在设计时数据传输不支持DMA模式，只支持单周期CPU读写。由于CPU读数据时延迟较大，在对PCI状态机设计时必须进行读延迟等待。
　　
       

状态机的设计与实现

状态机的设计是整个设计中的核心部分，它主要用来控制从设备和PCI总线的时序。在本设计方案中，配置过程的完成和存储器的读写都是由状态机来完成的。由于EPLD的容量有限，GP-IB接口芯片的读写速度比较慢，在设计