基于EP2SGX系列FPGA的PCI接口设计
基于ep2sgx系列fpga的pci接口设计
0 引 言
在现代雷达数据处理系统和其他应用系统中，传统的isa、eisa等总线已逐渐无法适应高速数据传输的要求。而pci局部总线以其高性能、低成本、使用方便和适应性等优点成为大多数系统的主流总线。其中常用的33 mhz、32位的pci总线尖峰传输速率为132 mb／s。pci总线接口相对其他总线接口来说是比较复杂的，它有着严格的同步时序要求，且为了实现即插即用和自动配置，pci总线的配置空间有许多配置寄存器需要设置。本文在简要介绍pci总线及其特点的基础上，介绍了如何利用fpga设计pci总线的接口电路，并给出了设计pci总线接口时应注意的一些问题。
1 pci总线与数据传输规范
pci总线信号可划分为如图1所示的几种类型。其中64位总线扩展信号、资源锁存信号和边界扫描信号是可选的。
pci总线上的数据传送是基于猝发传送的机制，一个猝发传送包括一个地址相和一个或多个数据相。基本的pci传输由frame#、irdy#和trdy#信号控制。当数据有效时，数据资源需要无条件设置xrdy#信号(写操作为irdy#，读操作为trdy#)。接收方可在适当时间发出它的xrdy#信号。frame#信号有效后的第一个时钟上升沿是地址周期的开始，此时传送地址信息和总线命令。下一个时钟上升沿开始一个(或多个)数据周期，当irdy#和trdy#同时有效时，数据在主、从设备之间传送。在此期间，可由主设备或从设备分别利用irdy#和trdy#的无效而插入等待周期。pci总线传输包含读、写和中止3个内容，图2和图3所示的时序图显示了pci总线读、写操作的传输过程。
2 设计考虑及芯片选择
目前pci接口主要有2种实现方式：使用专用接口芯片和采用可编程器件。专用芯片如plx公司的9050等，专用芯片可以实现完整的pci主控模块和目标模块接口功能，将复杂的pci总线接口转换为相对简单的用户接口。缺点是缺少灵活性，用户可能只用到了部分的pci接口功能，造成了一定的逻辑资源浪费。采用fpga的优点在于其灵活的可编程性，首先pci接口可以依据插卡功能进行最优化设计，而不必实现所有的pci功能，可以节约系统的逻辑资源。其次可以将pci插卡上的其他用户逻辑与pci接口逻辑集成在一个芯片上，实现紧凑设计。再者当系统升级时，只需对可编程器件重新进行逻辑设计，而无需更新pcb版图。
pci总线是同步总线，时序要求比较严格，比如：tval最大为11 ns，tprop最大为10 ns，tsu最小为7 ns，th为0 ns，此外，pci总线接口还需要一定数量的宏单元和i／0引脚。在本设计中，为了同时实现光纤数据传输等其他的逻辑功能，选用了altera公司stratixiigx系列中型号为ep2sgx90ef1152的一款fpga芯片。该芯片主要性能如下：片内90 960个逻辑单元；4．5 mb的ram资源；支持12路高速串行收发器通道，每路传输速率高达6．375 gb／s；接口电平支持：lvttl、lvds、lvpecl。3．3－v pci等众多i／o标准。ep2sgx系列芯片内部有专门支持pci电气特性的区域(bank)，非常适合于pci接口的开发。
3 pci接口设计实现
本设计利用altera公司的quartusil7．2软件和硬件描述语言，采用自顶向下的设计方法进行pci接口的逻辑设计，并利用quartusii软件对设计进行了功能和时序仿真。
设计的具体流程如下：首先从总体上考虑：pci接口作为一个功能模块，嵌入在fpga内部，内侧面向用户逻辑，外侧通过芯片的i／o管脚与pci总线相连。在用户端，需要把复杂的pci总线命令转换为便于用户使用的类似isa总线的命令格式，把地址线与数据线分离，并产生单独的读写控制信号。其次，根据总体要求，进行顶层设计和内部模块划分。最后，对具体的功能模块用软件编程实现并进行功能仿真。
本设计中pci接口的总体框图如图4所示。由图4可知，pci接口主要由地址／命令锁存和译码、内部通信、外部通信和总线状态机、中断处理等模块组成。
3．1 地址／命令锁存和译码
由于pci总线为地址和数据复用型总线，在使用中需将地址和数据进行分离，首先要对pci总线上的32位地址／数据总线锁存。译码是对来自主机的pci总线命令信号cbe[3．．0]和idsel信号进行识别，并相应地向内部逻辑发出配置空间读写操作、i／o读写操作、存储器读写操作等信号。
3．2 外部通信
外部通信接口主要完成对pci总线的应答，并发出相应的信号。对于渎写操作，接口发出devsel#信号响应pci的frame#信号，完成握手。pci协议规定了在交易期间对地址／数据总线和命令／字节使能总线进行奇偶校验。读交易期间，接口被要求驱动par信号线；写交易期间，目标将计算ad[31．．0]和cbe[3．．0]上的奇偶性，并把perr信号送给pci。
3．3 内部通信
内部通信接口主要产，丰面向用户端，便于用户使用的一信号，包括复位信号、分离的读和写信号、地址总线、32位的数据读写总线。
3．4 总线状态机
该模块足本设计的关键部分，其主要功能是根据pci协议产生总时序来控制总线交易。总线状态机包含的状态主要有总线空闲状态、总线停靠状态、主设备数据传输状态、从设备数据传输状态、配置空间读写状态、目标i／o空间读写状态、主设备读写状态、总线翻转状态、数据传输终止状态等。以上各状态主要依据输入的pcirst、frame#、idsel、cbe [3．．0 ]、gnt#、irdy#、trdy#、stop#等信号变化进行状态转换。
3．5 中断处理
本模块主要实现各种外部中断源的输入处理、中断允许寄存器和中断状态寄存器的控制和管理、inta#信号的输出处理等。
4 工具软件在pci总线调试中的使用
在板卡的调试过程中使用了windriver软件，该软件是美国jungo公司出品用于编写驱动程序的一种工具，是主要针对pci、isa、usb的一种开发工具。该软件对于调试pci板卡很方便。用户不需要复杂的编程就能控制pci没备进行读写操作，从而在硬件刚设计调试时，就能测试板卡性能的好坏，可测试的功能具体包括venderid、device id的识别、基地址的分配、中断的分配、i／o端口的读写测试等。
另外，在调试过程中还利用了quartus软件自带的signaltap嵌入式逻辑分析仪软件。该工具软件只需要通过编程电缆将jtag口与调试计算机连接后，便可在线采集各种信号波形，验证逻辑设计是否正确。
5 pci接口板卡设计体会
设计的cpci板卡经过多次试验和测试，验证了配置空间访问、i／o空间访问、外部中断等功能均正确。目前已经成功应用于产品中，下面简要介绍设计开发过程中的一些体会。
(1)pci接口在板卡设计中需注意的问题
①板卡上的一些信号都必须在靠近连接器j1的地方串行放置阻值为10 ω的终端电阻。必须端接电阻的信号有：ad[31：0]、c／be[3：0]、par、frame#、irdy#、trdy#、stop#、lock#、idsel#、devsel#、perr#、serr#、rst#、inta#。电阻应放置在距pci信号连接器引脚15．2 mm以内，以减少信号经过板卡端接后对背板的影响。不需要使用终端电阻的信号有：clk，req#和gnt#。在实际设计中，必须按以上要求将信号进行端接处理，否则pci总线会工作不正常。
②从连接器j1到端接电阻的信号线的长度不应超过15．2 mm。
③从连接器儿经端接电阻到fpga的信号线的长度不应超过38．1 mm。
(2)配置空间的简化设计
pci总线的配置空间为2,56个字节。在设计中，只需对用到的参数进行配置。一般对venderid、deviceid、commandstatus、revisicmid、classcode、headertype、interruptline及interruptpin等寄存器进行配置即可满足大多场合下的使用要求。
(3)总线命令的简化设计
pci规范中规定了16种总线命令，设计者只需埘其中有用的命令进行响应即可。总线命令的简化可减少总线对话的种类，从而可减少硬件没计的复杂性。一般来说，只要有配置空间读写、i／o空间读写及存储器的读写，便可满足一般的使用。
6 结束语
本文介绍了在stratixⅱgx系列fpga上实现pci接口的设计技术，具有较强的灵活性，可以方便地移植到其他可编程器件上，有一定的通用性。随着计算机技术的不断发展，计算机总线在pci总线基础上逐渐发展为更高带宽和频率的pci-x总线和拥有2．5g传输速率的pci-express总线。从当前发展趋势来看，pci-express总线正得到越来越广泛的应用，必将成为下一代的总线标准。
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1 pci总线与数据传输规范
pci总线信号可划分为如图1所示的几种类型。其中64位总线扩展信号、资源锁存信号和边界扫描信号是可选的。
pci总线上的数据传送是基于猝发传送的机制，一个猝发传送包括一个地址相和一个或多个数据相。基本的pci传输由frame#、irdy#和trdy#信号控制。当数据有效时，数据资源需要无条件设置xrdy#信号(写操作为irdy#，读操作为trdy#)。接收方可在适当时间发出它的xrdy#信号。frame#信号有效后的第一个时钟上升沿是地址周期的开始，此时传送地址信息和总线命令。下一个时钟上升沿开始一个(或多个)数据周期，当irdy#和trdy#同时有效时，数据在主、从设备之间传送。在此期间，可由主设备或从设备分别利用irdy#和trdy#的无效而插入等待周期。pci总线传输包含读、写和中止3个内容，图2和图3所示的时序图显示了pci总线读、写操作的传输过程。
2 设计考虑及芯片选择
目前pci接口主要有2种实现方式：使用专用接口芯片和采用可编程器件。专用芯片如plx公司的9050等，专用芯片可以实现完整的pci主控模块和目标模块接口功能，将复杂的pci总线接口转换为相对简单的用户接口。缺点是缺少灵活性，用户可能只用到了部分的pci接口功能，造成了一定的逻辑资源浪费。采用fpga的优点在于其灵活的可编程性，首先pci接口可以依据插卡功能进行最优化设计，而不必实现所有的pci功能，可以节约系统的逻辑资源。其次可以将pci插卡上的其他用户逻辑与pci接口逻辑集成在一个芯片上，实现紧凑设计。再者当系统升级时，只需对可编程器件重新进行逻辑设计，而无需更新pcb版图。
pci总线是同步总线，时序要求比较严格，比如：tval最大为11 ns，tprop最大为10 ns，tsu最小为7 ns，th为0 ns，此外，pci总线接口还需要一定数量的宏单元和i／0引脚。在本设计中，为了同时实现光纤数据传输等其他的逻辑功能，选用了altera公司stratixiigx系列中型号为ep2sgx90ef1152的一款fpga芯片。该芯片主要性能如下：片内90 960个逻辑单元；4．5 mb的ram资源；支持12路高速串行收发器通道，每路传输速率高达6．375 gb／s；接口电平支持：lvttl、lvds、lvpecl。3．3－v pci等众多i／o标准。ep2sgx系列芯片内部有专门支持pci电气特性的区域(bank)，非常适合于pci接口的开发。
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本设计利用altera公司的quartusil7．2软件和硬件描述语言，采用自顶向下的设计方法进行pci接口的逻辑设计，并利用quartusii软件对设计进行了功能和时序仿真。
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3．1 地址／命令锁存和译码
由于pci总线为地址和数据复用型总线，在使用中需将地址和数据进行分离，首先要对pci总线上的32位地址／数据总线锁存。译码是对来自主机的pci总线命令信号cbe[3．．0]和idsel信号进行识别，并相应地向内部逻辑发出配置空间读写操作、i／o读写操作、存储器读写操作等信号。
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3．4 总线状态机
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另外，在调试过程中还利用了quartus软件自带的signaltap嵌入式逻辑分析仪软件。该工具软件只需要通过编程电缆将jtag口与调试计算机连接后，便可在线采集各种信号波形，验证逻辑设计是否正确。
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(1)pci接口在板卡设计中需注意的问题
①板卡上的一些信号都必须在靠近连接器j1的地方串行放置阻值为10 ω的终端电阻。必须端接电阻的信号有：ad[31：0]、c／be[3：0]、par、frame#、irdy#、trdy#、stop#、lock#、idsel#、devsel#、perr#、serr#、rst#、inta#。电阻应放置在距pci信号连接器引脚15．2 mm以内，以减少信号经过板卡端接后对背板的影响。不需要使用终端电阻的信号有：clk，req#和gnt#。在实际设计中，必须按以上要求将信号进行端接处理，否则pci总线会工作不正常。
②从连接器j1到端接电阻的信号线的长度不应超过15．2 mm。
③从连接器儿经端接电阻到fpga的信号线的长度不应超过38．1 mm。
(2)配置空间的简化设计
pci总线的配置空间为2,56个字节。在设计中，只需对用到的参数进行配置。一般对venderid、deviceid、commandstatus、revisicmid、classcode、headertype、interruptline及interruptpin等寄存器进行配置即可满足大多场合下的使用要求。
(3)总线命令的简化设计
pci规范中规定了16种总线命令，设计者只需埘其中有用的命令进行响应即可。总线命令的简化可减少总线对话的种类，从而可减少硬件没计的复杂性。一般来说，只要有配置空间读写、i／o空间读写及存储器的读写，便可满足一般的使用。
6 结束语
本文介绍了在stratixⅱgx系列fpga上实现pci接口的设计技术，具有较强的灵活性，可以方便地移植到其他可编程器件上，有一定的通用性。随着计算机技术的不断发展，计算机总线在pci总线基础上逐渐发展为更高带宽和频率的pci-x总线和拥有2．5g传输速率的pci-express总线。从当前发展趋势来看，pci-express总线正得到越来越广泛的应用，必将成为下一代的总线标准。
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