基于FPGA的PCI总线接口设计的研究.pdf

1 引言 随着微处理机 多媒体和网络技术的不断发展 以及当今多任务操作系统和功能丰富的应用程序产 生 人们对微机系统的I / O 带宽不断提出新的要求 原有的标准总线如 I S A E I S A 和 M C 已经逐渐不能 满足数据高速传输的要求成为阻塞计算机系统性 能的瓶颈为了满足外设间外设与主机间高速数 据传输以及解决原有标准总线数据传输率低带来的 瓶颈问题I n t e l 公司于1 9 9 1 年提出P C I 总线的概 念即周边器件互连( P e r i p h e r a l C o m p o n e n t I n t e r c o n n e c t ) 因为P C I 总线具有极高的数据传输 率所以在数字图形图像和语音处理以及高速数 据采集和处理等方面得到了广泛的应用 2 P C I 总线接口逻辑设计 本设计为 P C I 总线从设备接口采用 F P G A 自 行设计P C I 总线接口逻辑接口的前端是P C I 总线 后端是一个 3 2 位宽的同步 F I F O 实现的功能主要 包括 3 2 位的地址 / 数据宽度工作频率为3 3 M H z 以及 3 2 位的后端数据口 支持四种总线命令配置读 /写M e m o r y 基于 F P G A 的 P C I 总线接口设计的研究 邢法玉1 2 1 中国海洋大学 山东青岛 2 6 6 0 0 3 2 潍坊学院 山东潍坊 2 6 1 0 6 1 摘 要 本文主要研讨可编程器件F P G A 做P C I 总线从模块设计 文中分析可编程器件在P C I 总线产 品设计中的可行性和应用前景以及P C I 总线从模块接口电路的结构提出子电路模块的具体实现方案 关键词 P C I 总线 P C I 总线从模块 F P G A 中图分类号T P 3 3 6 文献标识码B 文章编号1 6 7 3 - 0 9 6 8 ( 2 0 0 7 ) 0 3 - 0 0 9 5 - 0 3 The Reserch of Interface Design for PCI Based on FPGA Xing Fayu1,2 ( 1 O c e a n U n i v e r s i t y o f C h i n a , Q i n g d a o 2 6 6 0 0 3 , C h i n a , 2 W e i f a n g U n i v e r s i t y , W e i f a n g 2 6 1 0 6 1 , C h i n a ) Abstract:T h i s p r o j e c t i s t o d e s i g n t h e P C I t a r g e t i n t e r f a c e w i t h F P G A . T h e p a p e r a n a l y s e s t h e f e a s i b i l i t y a n d t h e f o r e g r o u n d o f t h e a p p l i a n c e o f d e s i g n i n g P C I b u s i n t e r f a c e w i t h p r o g r a m m a b l e l o g i c , t h e n p u t s f o r w a r d t h e P C I t a r g e t i n t e r f a c e b l o c k d i a g r a m a c c o r d i n g t o t h e d e s i g n i n g d e m a n d a n d a c i r c u i t d e s i g n s c h e m e . Key Words:P C I b u s , P C I b u s t a r g e t , F P G A 作者简介邢法玉男中国海洋大学电子与通信专业硕士研究生潍坊学院信息与控制工程学院讲师 读 / 写以及 I / O 读 / 写 支持两个基地址一个 M e m o r y 基地址和一 个 I / O 基地址 支持一个后端设备到 P C I 总线的中断信号 在设计中 没有必要实现P C I 总线的所有功能 而只需根据实际情况实现所需的功能即可作为 P C I 从设备从而免去 P C I 主设备功能的设计这 样既可以简化电路又可节省资源大大降低了开发 成本缩短了开发周期 图 1 为接口模块的输入输出信号这些信号中 与P C I 总线的接口信号( 图1 左端) 的详细含义可参见 参考文献 1 下面是后端接口信号的详细含义 D A T A I N 3 1 : 0 输入后端 F I F O 数据输入 D A T A O U T 3 1 : 0 输出数据输出到后端 F I F O B E 3 : 0 输出 字节有效信号 W R I T E _ E N 输出写 F I F O 使能 W R I T E _ F U L L 输入F I F O写满 R E A D _ E N 输出读 F I F O 使能 R E A D _ E M P T Y 输入F I F O读空 E X T _ I N T 输入后端设备中断申请 2 0 0 7年 3期( 总第 1 3 9期) 山东纺织经济 生 产 实 践 9 5 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark A B O R T 输入后端设备请求放弃交易 图 1 P C I 总线从设备接口 P C I 总线是一个地址与数据命令与字节能使 信号复用的总线本文中设计的 P C I 总线接口电路 主要包含地址命令锁存 地址命令译码 奇偶校验 数据通路配置空间和有限状态机六部分其电路 组成如图2 所示注图2 中线上箭头方向表示数 据的传输方向没有箭头代表数据双向传输 图 2 P C I 从设备接口模块图 2 . 1 地址命令锁存电路 由于 P C I 总线地址线和数据线复用命令线和 字节使能线复用因此要在适当的时机分别采样 地址数据命令和字节使能信号并把它们锁存 在不同的寄存器中以备后级译码电路使用若无 此电路则采样到的数据和地址命令和字节使能 信号可能相混淆会导致整个逻辑错误无法实现 P C I 接口电路的功能同时还锁存初始化设备选择 信号 当 P C I 总线处于空闲状态时若 P C I 从设备的 F R A M E #信号被拉低这时在 C L K的上升沿分 别采样地址 / 数据线A D 3 1 : 0 命令 / 字节使能线 C / B E 3 : 0 # 上的内容得到的即为地址和总线命令 即在 P C I 总线地址期锁存 2 . 2 地址命令译码电路 这部分电路是对锁存电路的内容进行译码来 确定设备是否是总线主设备寻址的对象此处译码 方式选择速度较快的正向译码但是为保证不会出 现地址冲突应采用全地址译码即命令信号线C / B E #必须参加译码 地址命令锁存电路中的A D 3 1 : 0 C / B E 3 : 0 # 和 I D S E L 信号的值决定是否设备被选中在两种情 况下地址译码命令电路会输出设备选中信号一种 是配置选中一种是地址选中 2 . 3 奇偶校验电路 在读操作过程中奇偶校验电路产生A D 3 1 : 0 和 C / B E 3 : 0 # 上的数据的校验位在写操作过程中 本设计不对主设备的奇偶校验信号 P A R 进行检查 此部分是对输出的数据与字节使能信号组成的 3 6 位数据进行偶校验本设计采用流水线的方法设 计 5 在系统时钟C L K 上升沿8 . 5 5 4 n s ( 6 . 4 8 4 n s l o g i c , 2 . 0 7 0 n s r o u t e ) 后输出奇偶校验位 满足了P C I 局部 总线协议规定的设备时间参数t v a l 不大于1 1 n s 2 . 4 数据通路 当设备进行P C I 交易时 在状态机的控制下 此 部分电路实现后端设备与P C I 总线 配置空间与P C I 总线之间数据的传输 如果 C / B E #线上为配置读 /写命令时数据 在总线和配置空间寄存器之间传输如果 C / B E # 线上为 M e m o r y 或者 I / O 的读写命令时数据是在 总线和后端设备之间传输 2 . 5 配制空间 若译码结果为配置访问则要读写配置空间中 相应的寄存器它包括配置软件读取基址寄存器以 判断申请空间的大小以及系统分配资源后向基址 寄存器填充所占资源的起始地址还包括系统扫描 P C I S l o t 时读取V e n d o r I D 以识别设备另外若 系统中使用中断功能则要设置中断线和中断引脚 寄存器等以上这些功能均由配置电路来完成 6 状态机电路 状态机( F S M ) 是设计 P C I 接口逻辑的核心时 序状态机接收来自总线主设备和从设备控制信号 加以分析处理在无论是否是对本设备的访问时 A D 3 1 : 0 C / B E 3 : 0 # FRAME# I R D Y # TRDY# S T O P # D E V S E L # I D S E L PAR CLK R S T I N T A # D A T A I N 3 1 : 0 D A T A O U T 3 1 : 0 B E 3 : 0 W R I T E _ E N W R I T E _ F U L L R E A D _ E N R E A D _ E M P T Y E X T _ I N T A B O R T 2 0 0 7年 3期( 总第 1 3 9期) 山东纺织经济 生 产 实 践 9 6 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark 都要引导其作出正确的时序响应以保证总线交易 的正确完成 本设计中根据需要设定了四个状态 3 即 空闲状态( I D L E )译码状态( D e c o d i n g )数据传 输状态( T r a n s f e r )补偿状态( B a c k o f f )这四个状态 根据 P C I 总线的使用情况而进行转换从而完成数 据的传输其状态转换过程如图3 所示 图 3 P C I 总线接口从设备状态机 图3 中 h i t 表示本次访问的地址区间落在自己 的地址段内m e m _ c m d表示命令与字节使能信号 C / B E 3 : 0 #线上为 m e m o r y读或者写命令I / O _ c m d 表示 C / B E 3 : 0 # 线上为 I / O 读或者写命令 c f g _ c m d 表示C / B E 3 : 0 # 线上配置读或者写命令并 且此时初始化设备选择信号 I D S E L 有效 3 结束语 P C I 总线是适应微机技术发展和市场需要的产 物是目前计算机的主流总线国外的总线设备厂 纷纷将其产品移植到 P C I 总线上国内 P C I 总线产 品的开发主要是借助于国外 A S I C 厂商的 P C I 专用 接口芯片因而目前设计包含P C I 总线接口和用户 逻辑的 A S I C 具有很高的技术意义和市场价值 参考文献 1 李贵山 戚德虎 P C I 局部总线开发者指南 M 西安电子科技大学出版社1 9 9 7 2 褚振勇 翁木云 F P G A 设计及应用 M 西安电 子科技大学出版社2 0 0 2 超细复合短纤维生产线 单纤细度达到0 . 0 3 d t e x 建设超细高密非织造布超真皮革及精细过滤材料 生产线并与高强丝等复合材料加工复合成超细过 滤材料等 4 结束语 4 . 1 超细纤维具有较高附加值 应在逐步完善和 创新自我技术生产体系以及调研市场的情况下 逐步扩大生产量 4 . 2 不应盲目新建或改建复合超细纤维项目 要 努力提高自己的技术力量和产品研发能力提高产 品质量及其应用性加强市场竞争力 4 . 3 将纳米技术生物技术等新技术与纺织工 业尤其是功能性超细纤维的开发很好地结合将 会有重大意义具有广阔的发展前景 参考文献 1 西鹏 高晶 李文刚等 高技术纤维 M 北京 化学工业出版社2 0 0 4 4 0 2 . 2 王妮 超细纤维的生产与应用 J 棉纺织技术 2 0 0 12 9 ( 7 ) . 3 邢声远 纺织新材料及其识别 M 北京 中国 纺织出版社2 0 0 5 1 6 4 . 4 杨舜 超细纤维简介 J 针织工业 2 0 0 2( 4 ) . 5 新合纤 发展历史 现状与展望 J 金颖 胡 祖明 国外纺织技术 1 9 9 9( 4 ) . 6 张大省 王锐 超细纤维发展及其生产技术 J 北京服装学院学报 2 0 0 42 4 ( 2 ) . 7 U . M e y e r静电纺丝- - 一项令人感兴趣的技术 J 桑榆 国际纺织导报 2 0 0 5( 9 ) . 8 师奇松于建香顾克壮等静电纺丝技术及 其应用 J 化学世界 2 0 0 5( 5 ) . 9 孟庆杰 张兴祥 静电法超细纤维的性能与应 用研究 J 高分子材料科学与工程 2 0 0 42 0 ( 6 ) . 1 0 周晓沧肖建宇新合成纤维材料及其制造 M 北京 中国纺织出版社 1 9 9 8 . 1 1 海岛纤维的市场潜力与技术发展 J 纺织导 报 2 0 0 3( 3 ) . 1 2 海岛纤维应用前景乐观 J 产业用纺织品 2 0 0 32 1 ( 1 5 2 ) . ( 上接8 6 页) 2 0 0 7年 3期( 总第 1 3 9期) 山东纺织经济 生 产 实 践 9 7 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark