利用CPLD实现的PCI从设备接口设计

　　近年来随着计算机技术的发展，PCI局部总线已逐步取代ISA总线成为家用电脑的标准总线。PCI总线具有总线主控能力，在33 MHz时钟的工作条件下，突发传输速率峰值可达132 MB·s-1;其次它拥有独立的配置空间，可实现即插即用。这些优点使得PCI总线在数据采集、嵌入式系统和测控等领域得到广泛应用。

　　实现PCI总线协议目前主要有专用接口芯片和CPLD实现两种方式。专用接口芯片使用简单方便、工作稳定可靠，但往往具体应用中只用到部分功能，并且需要可编程逻辑配合使用，这样不仅浪费专用芯片的资源，而且也增加了电路板面积。采用Complex Programmable Logic Device（CPLD）实现突出的优点就在于其灵活的可编程性，这使得硬件电路的升级只需改进软件就可实现，大大提高了硬件平台的通用性；此外CPLD内部有丰富的逻辑资源，可将用户控制逻辑和PCI接口逻辑在同一块芯片中实现，这样不仅充分利用了逻辑资源，还能使系统设计显得更加紧凑。

　　文中主要介绍了采用CPLD实现32 bit 33 MHzPCI从设备接口的设计方法，该从设备接口模块遵从PCI规范2.2版，实现了资源的自动配置，支持突发传输，并为用户提供了一个简单的接口。设计完成后配置到一块PCI开发板上的CPLD中，系统工作稳定、可靠，验证了该设计方法的工程可行性。

　　1 PCI总线协议简介

　　一个PCI系统中，如果某设备取得了总线控制权，就称其为主设备；而被主设备选中以进行通信的设备称为从设备或目标设备。PCI接口信号线共有100根，分为系统信号、仲裁信号、接口控制信号、地址/数据线、错误报告信号、中断信号等类型，其中作为从设备至少需要47条信号线。表1中列出了从设备接口设计必需的接口信号及说明。

　　一个完整的PCI总线交易过程如下：要发起数据交易的设备先置REQ#，在得到仲裁器的许可（GNT#）后，通过拉低FRAME#启动一个传输交易（TRA NSACTION），并同时在AD［31:0］总线上放置地址，在CBE［3:0］总线上放置命令。PCI总线上所有的设备都对此地址译码，被选中的从设备要置DEVSEL#有效以声明自己被选中，同时对命令译码确定访问类型。在接下来的数据期中，IRDY#和TRDY#分别表示主、从设备准备好。两者同时有效，则在时钟上升沿传输数据；主从双方可以分别通过使IRDY#或TRDY#无效，在数据期中插入等待周期。数据传输结束前，主设备通过撤销FRAME#并建立IRDY#标明只剩最后一组数据要传输，并在数据传输完后放开IRDY#以释放总线控制权。从设备也可以通过有效STOP#信号来请求终止传输，从设备断开连接有RETRY、DISCONNECT和ABORT3种情况，RETRY是由于数据传输的起始字节超过16个PCI时钟周期引起的；DISCONNECT是由于在数据传输的非起始字节，从设备在8个时钟周期里不能对主设备做出反应引起的；ABORT是由于目标设备发现严重错误或者不能完成数据请求，而使STOP#和DEVSEL#都无效来终止当前进程。传输终止后总线进入空闲状态，等待下个PCI总线交易开始。

　　表1 PCI从设备接口信号线

　　表1中，#表示信号低电平有效，否则为高电平有效。IN表示标准的输入信号，OUT表示标准的输出驱动信号，T/S表示双向的三态输入/输出信号，S/T/S表示持续且低电平有效的三态信号，O/D表示漏极开路信号。

　　2 PCI从设备接口的CPLD实现

　　设计的32 bit 33 MHz PCI从设备接口的内部结构框图如图1所示，由结构图可以看出它主要由状态机、配置空间、译码模块、数据通道、奇偶校验和重试模块组成。PCI从设备接口实现的功能是将一个不符合PCI总线协议的设备桥接到PCI总线上，为计算机PCI总线和用户应用之间传输数据提供一个数据通道。该从设备接口为用户提供了一个简单的总线接口，特别适合PCI总线与32位SRAM或FIFO等高速存储设备的桥接。

　　图1 PCI从设备接口的内部结构框图

　　表2 用户总线信号定义