PCI總線目標(biāo)控制器的設(shè)計(jì)

　　狀態(tài)機(jī)共分為10個(gè)狀態(tài)，下面對(duì)每個(gè)狀態(tài)的意義及狀態(tài)跳轉(zhuǎn)條件的詳細(xì)說(shuō)明：

　　目標(biāo)空閑（idle）：當(dāng)PCI總線有新的命令但控制器正忙于未完成的數(shù)據(jù)傳輸或寄存器配置時(shí)，狀態(tài)機(jī)跳轉(zhuǎn)到check_abort;控制器空閑但寄存器內(nèi)有記錄的未完成的讀操作，狀態(tài)機(jī)跳轉(zhuǎn)到check_addr;PCI總線上有數(shù)據(jù)傳輸要求而又未出現(xiàn)上面的兩種情況，狀態(tài)機(jī)跳轉(zhuǎn)至cmd_start。

　　啟動(dòng)命令解碼（cmd_start）：滿足放棄條件如奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤、強(qiáng)制放棄等條件時(shí)，狀態(tài)機(jī)跳轉(zhuǎn)至start_abort;不滿足放棄條件，若目標(biāo)設(shè)備沒(méi)有突發(fā)傳輸能力，狀態(tài)機(jī)跳轉(zhuǎn)至start_single，若目標(biāo)設(shè)備有突發(fā)傳輸能力且主設(shè)備發(fā)起的是寫(xiě)命令，狀態(tài)機(jī)跳轉(zhuǎn)至start_multiple，如果目標(biāo)設(shè)備有突發(fā)傳輸能力且主設(shè)備發(fā)起的是延遲讀命令，狀態(tài)機(jī)跳至start_retry;上述情況均未發(fā)生，狀態(tài)機(jī)跳轉(zhuǎn)至start_wait_rd1。

　　檢查地址匹配（check_addr）：滿足放棄條件如奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤、強(qiáng)制放棄等條件時(shí)，狀態(tài)機(jī)跳轉(zhuǎn)至start_abort;如果地址與之前的請(qǐng)求地址一致，對(duì)目標(biāo)設(shè)備進(jìn)行延遲讀，狀態(tài)機(jī)跳轉(zhuǎn)至start_multiple;如果地址不一致?tīng)顟B(tài)機(jī)跳轉(zhuǎn)至start_retry。

　　放棄條件檢測(cè)（check_abort）：滿足放棄條件如奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤、強(qiáng)制放棄等條件時(shí)，狀態(tài)機(jī)跳轉(zhuǎn)至start_abort;不滿足條件，狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)至start_retry。

　　讀等待狀態(tài)1（start_wait_rd1）：如果FIFO中有了待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，狀態(tài)機(jī)跳轉(zhuǎn)至start_wait_rd2;否則一直等待在狀態(tài)start_wait_rd1。

　　讀等待狀態(tài)2（start_wait_rd2）：FIFO中已經(jīng)有了所要讀取的數(shù)據(jù)，狀態(tài)機(jī)跳轉(zhuǎn)至start_multiple。

　　目標(biāo)設(shè)備放棄（start_abort）：一直維持該狀態(tài)直到主設(shè)備聲明傳輸結(jié)束，狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)至idle。

　　單數(shù)據(jù)傳輸（start_single）：如果主設(shè)備聲明最后一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸，狀態(tài)機(jī)跳轉(zhuǎn)至idle;如果主設(shè)備繼續(xù)對(duì)該目標(biāo)設(shè)備進(jìn)行讀寫(xiě)操作，狀態(tài)機(jī)跳轉(zhuǎn)至start_retry。

　　數(shù)據(jù)突發(fā)傳輸（start_multiple）：如果剩下最后一個(gè)字節(jié)傳輸，狀態(tài)機(jī)跳轉(zhuǎn)到idle;如果地址信息無(wú)效或地址越界，狀態(tài)機(jī)跳轉(zhuǎn)到start_retry;如果接收FIFO幾乎滿了而PCI主設(shè)備繼續(xù)往其中寫(xiě)入數(shù)據(jù)，狀態(tài)機(jī)跳轉(zhuǎn)到start_retry;其它情況狀態(tài)機(jī)保持start_multiple狀態(tài)不變。

　　重試（start_retry）：一直維持該狀態(tài)直到主設(shè)備聲明傳輸結(jié)束，狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)至idle。

3數(shù)據(jù)通路實(shí)現(xiàn)

　　目標(biāo)控制器的數(shù)據(jù)通路具體可通過(guò)兩種類(lèi)型的目標(biāo)接口實(shí)現(xiàn)：寄存器型目標(biāo)接口和FIFO型目標(biāo)接口。

　　3.1寄存器型目標(biāo)接口

　　每個(gè)PCI功能擁有64個(gè)配置雙字的單元[1]（前16個(gè)雙字的格式和用法由PCI規(guī)范預(yù)定），保留用于實(shí)現(xiàn)配置寄存器。本地可以有一些功能設(shè)備，這些設(shè)備都有相應(yīng)的控制/狀態(tài)寄存器，PCI總線上的主設(shè)備要對(duì)這些控制寄存器進(jìn)行編程，進(jìn)而控制相應(yīng)的功能設(shè)備完成特定功能。兩類(lèi)寄存器可以歸為一個(gè)數(shù)據(jù)通道實(shí)現(xiàn)，寄存器型目標(biāo)接口就為本地的功能設(shè)備提供了這樣一種接口，使得PCI總線上的主設(shè)備可以通過(guò)它來(lái)訪問(wèn)功能設(shè)備的寄存器。由于PCI總線主設(shè)備的訪問(wèn)目標(biāo)是一些寄存器，所以該接口無(wú)需支持突發(fā)傳輸，主設(shè)備每一次訪問(wèn)最多只涉及到32位的數(shù)據(jù)傳輸。

　　3.2FIFO型目標(biāo)接口

　　FIFO型的目標(biāo)通道主要用于大量的數(shù)據(jù)傳輸，可以將本地的存儲(chǔ)器掛接在該接口上，這樣PCI總線主設(shè)備可以通過(guò)FIFO型目標(biāo)通道訪問(wèn)到本地的存儲(chǔ)器，針對(duì)PCI主設(shè)備對(duì)本地存儲(chǔ)器的讀和寫(xiě)操作，設(shè)置了兩個(gè)異步FIFO，讀FIFO和寫(xiě)FIFO。其結(jié)構(gòu)如圖3

　　命令解碼器和目標(biāo)狀態(tài)機(jī)組成了該接口的控制單元。FIFO型目標(biāo)接口由地址解碼器、讀寫(xiě)控制單元和讀/寫(xiě)異步FIFO四部分組成，在控制部件的協(xié)調(diào)控制下，共同完成PCI總線上的其它主設(shè)備對(duì)本地存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)或讀取。

　　讀寫(xiě)控制單元：主要用于目標(biāo)延遲讀的控制，存儲(chǔ)并比照前后數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求的地址和命令信息，聲明本次傳輸請(qǐng)求是否為有效的延遲讀請(qǐng)求。

　　讀/寫(xiě)FIFO：異步FIFO，用于緩存PCI主設(shè)備到本地存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)數(shù)據(jù)。

　　地址解碼器：解碼PCI總線上的地址信息，識(shí)別對(duì)FIFO型目標(biāo)接口的訪問(wèn)。對(duì)于地址解碼器的實(shí)現(xiàn)，在最初PCI系統(tǒng)分配地址時(shí)，F(xiàn)IFO型的目標(biāo)接口被分配到某一段地址區(qū)內(nèi)，通過(guò)地址翻譯將其映射到本地的系統(tǒng)中[4]。

圖3FIFO型目標(biāo)接口邏輯結(jié)構(gòu)

　　對(duì)PCI主設(shè)備發(fā)起的寫(xiě)操作，數(shù)據(jù)會(huì)先以PCI時(shí)鐘寫(xiě)入接口內(nèi)的寫(xiě)FIFO，同時(shí)PCI控制器會(huì)通知本地存儲(chǔ)器控制器有數(shù)據(jù)寫(xiě)入。本地存儲(chǔ)器控制器待FIFO中達(dá)到一定數(shù)據(jù)量時(shí)以自己的時(shí)鐘讀取FIFO中的數(shù)據(jù)存入本地存儲(chǔ)器，如果FIFO讀空，存儲(chǔ)器會(huì)暫停等待直到FIFO中有新的數(shù)據(jù)寫(xiě)入，才進(jìn)行讀取。

　　對(duì)PCI主設(shè)備發(fā)起的讀本地存儲(chǔ)器的操作，為了提高讀數(shù)據(jù)的效率，設(shè)計(jì)中根據(jù)不同數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，把讀操作劃分為兩個(gè)類(lèi)型，即立即讀和延遲讀。

　?。?）立即讀：在PCI總線主設(shè)備發(fā)起讀操作后，一直占用PCI總線等待，PCI總線控制器向本地存儲(chǔ)器請(qǐng)求對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，直到本地存儲(chǔ)器將數(shù)據(jù)寫(xiě)入讀FIFO中，PCI控制器讀取FIFO中數(shù)據(jù)開(kāi)始PCI總線上的數(shù)據(jù)傳輸。這種讀類(lèi)型一般適用于進(jìn)行數(shù)據(jù)量小的傳輸且本地存儲(chǔ)器可以在較短的時(shí)間內(nèi)將要求的數(shù)據(jù)送到PCI總線。

　?。?）延遲讀：PCI總線主設(shè)備的讀請(qǐng)求到達(dá)PCI目標(biāo)總線控制器時(shí)，控制器鎖存地址和命令信息，并回應(yīng)主設(shè)備讓它重試。同時(shí)PCI目標(biāo)總線控制器向本地存儲(chǔ)器請(qǐng)求數(shù)據(jù)，本地存儲(chǔ)器將數(shù)據(jù)寫(xiě)入總線控制器中的FIFO中。此時(shí)如果PCI總線上的主設(shè)備重試先前的數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求，PCI目標(biāo)控制器就可以響應(yīng)請(qǐng)求將數(shù)據(jù)發(fā)送到PCI總線上。這個(gè)過(guò)程中，PCI總線主設(shè)備在收到重試回應(yīng)后就會(huì)釋放PCI總線，允許其它的主設(shè)備占用總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這樣從而提高了總線的利用率。圖4給出了PCI主設(shè)備突發(fā)讀時(shí)采用延遲讀的仿真結(jié)果圖

圖4突發(fā)讀時(shí)仿真波形

4結(jié)束語(yǔ)

　　本文基于PCI2.2總線規(guī)范完成了通用PCI目標(biāo)控制器的RTL級(jí)設(shè)計(jì)。經(jīng)驗(yàn)證設(shè)計(jì)完全實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)控制器的功能，目前已通過(guò)了FPGA原型驗(yàn)證并應(yīng)用到CMOS圖象傳感器的數(shù)據(jù)傳輸中。在后續(xù)的開(kāi)發(fā)中，可以考慮在控制器內(nèi)部加入電源管理模塊，進(jìn)一步降低PCI目標(biāo)控制器的功耗。

　　本文的創(chuàng)新點(diǎn)：該設(shè)計(jì)方案將目標(biāo)控制器整體分為控制邏輯和數(shù)據(jù)通道兩部分，并根據(jù)目標(biāo)設(shè)備的不同類(lèi)型，在數(shù)據(jù)通道內(nèi)實(shí)現(xiàn)不同的目標(biāo)接口，并引入了立即讀和延遲讀機(jī)制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，使整個(gè)設(shè)計(jì)取得了較高的效率。

參考文獻(xiàn)

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