CPLD技術在PCI總線開關中的應用

PLD(可編程邏輯器件)以其操作靈活、使用方便、開發(fā)迅速、投資風險低的特點，很快發(fā)展起來，并越來越受人們的矚目。PLD是可以由用戶在工作現(xiàn)場編程的邏輯器件，它從簡單的PAL、GAL,已發(fā)展到CPLD、EPLD、FPGA和FLEX系列。他們都具有體系結(jié)構(gòu)和邏輯單元靈活、集成度高以及適用范圍廣等特點。

同以往的PAL、GAL等相比較，FPGA/CPLD的規(guī)模比較大，適合于時序、組合等邏輯電路等場合應用?？删幊踢壿嬈骷讓W、易用，簡化了系統(tǒng)設計，縮小了系統(tǒng)規(guī)模，提高了系統(tǒng)的可靠性。一個器件的可用門已達數(shù)萬門，引腳間延時僅幾ns，而且仍在朝著高密度、高速度的方向迅速發(fā)展。

計算機總線是計算機各部件之間進行信息傳輸?shù)墓餐ǖ?。在當今的微型機中主要采用的是PCI總線， ISA、EISA總線正逐步被淘汰。所以對硬件設計人員來說，掌握PCI總線板卡的開發(fā)技術是非常重要的。板卡的設計方法通常有這么幾種：一是做ASIC，開發(fā)周期長；另一種是在專用接口芯片下開發(fā)，但使用不是很靈活，系統(tǒng)規(guī)模大；目前最新的方法是用PLD來開發(fā)設計。

在進行CPLD設計時，筆者使用的軟件是Altera的MAX+PLUS II。Altera的MAX+PLUS II開發(fā)系統(tǒng)是一個完全集成化、易學易用的、與結(jié)構(gòu)無關的可編程邏輯設計環(huán)境，它使通用系列設計者能方便的進行設計輸入、快速處理和器件編程，使用此軟件的設計方法是很靈活的，可以采用硬件描述語言(PLD)、電路圖，甚至是時序圖。根據(jù)不同的情況可以采用不同的方法，在一個設計中也可以采用多種方法。下面以一個簡單的PCI從設備設計為例，說明設計思想與過程。

在本例中，設計的PCI卡作為從設備使用，可以實現(xiàn)即插即用功能，卡上有1MＢ的存儲器可供使用。在PCI即插即用板卡的設計中，核心設計有兩部分：時序控制和配置空間。時序控制保證了板卡能按正常的PCI時序工作，配置空間部分保證了板卡的即插即用功能。

在本例中，這兩部分都由AHDL語言來實現(xiàn)的(AHDL語言是Altera公司專門為其芯片設計開發(fā)的一種硬件描述語言）。在時序控制程序中采用狀態(tài)機模型來實現(xiàn)不同時序的轉(zhuǎn)換，采用這種方式既節(jié)省資源，程序也簡單易懂。

本例中的狀態(tài)機共使用了七種狀態(tài)，分別對應空閑、存儲器讀寫的判斷、配置讀寫的判斷、讀、寫、過渡周期、總線忙周期的時序。板卡接到復位信號后，對系統(tǒng)進行復位，然后轉(zhuǎn)入空閑狀態(tài)。在空閑狀態(tài)中采樣總線，并根據(jù)總線的變化來決定下一個時鐘上升沿后，狀態(tài)機轉(zhuǎn)入何種狀態(tài)。這些時序和程序中用到的信號都是基本且必須的。在進行開發(fā)時可以根據(jù)需要增添必要的狀態(tài)和信號。程序描述如下：

subdesign statesmachine

(clk,rst,frame,ad[31..0],cbe[3..0],idsel,irdy,mem_bar[12..0] :input;

devsel,trdy,cfg_rd,cfg_wr, mem_rd,mem_wr :output;

cfg_addr[5..0],mem_addr[16..0] :output;)

//以上定義了狀態(tài)機模塊的輸入輸出引腳

VARIABLE

pci_state :MACHINE

WITHSTATES(idle,cmp_cfg, cmp_addr,read,write,turn_ar, bus_busy);

//定義狀態(tài)機變量，共有七個狀態(tài)空閑狀態(tài)idle,配置空間操作cmp_cfg,比較地址cmp_addr,讀狀態(tài)read,寫狀態(tài)write,過渡周期狀態(tài)turn_ar,總線忙狀態(tài)bus_busy。通過狀態(tài)機的不同狀態(tài)實現(xiàn)時序的轉(zhuǎn)換，在每個狀態(tài)中實現(xiàn)不同的時序周期。

BEGIN

初始化：對內(nèi)部信號和各個輸入輸出引腳進行初始化，設定它們的連接關系。

IF rst==b"0" THEN //判斷是否復位

實現(xiàn)復位的時序操作。

ELSE

CASE pci_state IS

WHEN idle => //空閑狀態(tài)

在此狀態(tài)中，每個時鐘周期判斷frame和idsel信號的變化，一旦發(fā)現(xiàn)frame被置為有效，就根據(jù)idsel信號判斷下一狀態(tài)轉(zhuǎn)入對配置空間操作的cmp_cfg 或是比較地址對存儲器操作的cmp_addr

WHEN cmp_cfg=> //對配置空間操作的狀態(tài)

在此狀態(tài)中根據(jù)地址線的低兩位判斷是否是對配置空間的操作，若不是轉(zhuǎn)入總線忙狀態(tài)bus_busy；若是則根據(jù)cbe的信號是A或B來判斷是讀還是寫，轉(zhuǎn)入相應的狀態(tài)read,write。

WHEN cmp_addr =>//地址比較狀態(tài)

在此狀態(tài)中判斷要讀寫地址的高位與配置空間中分配的地址是否相同，若不同轉(zhuǎn)入總線忙狀態(tài)bus_busy;若相同則根據(jù)cbe的信號是6或7來判斷是讀還是寫，轉(zhuǎn)入相應的狀態(tài)read,write。

WHEN read=> //讀狀態(tài)

在此狀態(tài)中，根據(jù)cbe的值判斷是配置讀還是存儲讀，然后控制輸出信號mem_rd ，cfg_rd，trdy, devsel產(chǎn)生相應的讀時序，同時在此周期中判斷frame,irdy信號，若irdy變低并且frame變高，則讀狀態(tài)結(jié)束，轉(zhuǎn)入turn_ar狀態(tài)．

WHEN write=> //寫狀態(tài)

在此狀態(tài)中，根據(jù)cbe的值判斷是配置寫還是存儲寫，然后控制輸出信號mem_wr，cfg_wr，trdy, devsel產(chǎn)生相應的寫時序，同時在此周期中判斷frame,irdy信號，若irdy變低并且frame變高，則寫狀態(tài)結(jié)束，轉(zhuǎn)入turn_ar狀態(tài)。

WHEN turn_ar => //信號的過渡周期狀態(tài)

按照PCI的總線規(guī)范，S/T/S 信號，從有效變?yōu)楦】罩氨仨毐ＷC使其具有至少一個時鐘周期的高電平狀態(tài)，此狀態(tài)中，將所有的S/T/S 信號置為高。

WHEN bus_busy=> //總線忙狀態(tài)

總線不對本卡操作，因此通過對frame信號的判斷，來決定何時脫離本狀態(tài)。

WHEN OTHERS =>

若進入此狀態(tài)，則應根據(jù)需要，馬上轉(zhuǎn)入bus_busy或idle

END CASE;

END IF;

END;

配置空間部分也采用AHDL語言來描述實現(xiàn)，在配置空間中定義PCI卡的功能、內(nèi)存空間的分配、以及產(chǎn)品號、ID號等．通過對配置空間的定義，才能保證板卡的即插即用功能．描述如下：

subdesign config

(add[5..0] ,idata[n..0], int_data[7..0],rd,wr,clk :input;

odata[31..0], barout[12..0]

:output;)//定義輸入輸出

begin

初始化：對引腳進行初始化，指定它們的邏輯關系．

bar0[]=idata[];

table

add[] => outtri[31..0]。In;

b"000000" => h"88881172";

b"000001" => h"02000002";

b"000010" => h"ff000000";

end table; //配置空間中前三行的內(nèi)容，可根據(jù)需要設定．

if add[]==b"000100" then //對存儲

器的地址分配

向配置空間的基址寄存器區(qū)的高位，系統(tǒng)啟動時寫入分配給本卡存儲器的起始地址

end if;

if add[]==b"001111" then //寫中斷

向量

寫入系統(tǒng)啟動時分配給本卡的中斷向量

end if;

end;

兩部分都通過軟件生成模塊，兩模塊之間的接口部分，可以很容易的通過電路圖的連接來實現(xiàn)。兩個模塊圖如圖。

使用CPLD技術開發(fā)PCI板卡有以下優(yōu)點:

1、開發(fā)周期短、成本低、投資風險小，標準產(chǎn)品無需測試、質(zhì)量穩(wěn)定，可實時在線檢驗。采用CPLD技術設計完成后，可以進行實時的時序仿真。驗證改進設計結(jié)果，而不需重復的硬件試驗。設計通過后寫入芯片，通過測試即可投入使用。比使用一些專用的PCI芯片開發(fā)要簡單，而且省去了其他開發(fā)設備，所以成本也較低。比之ASIC開發(fā)的周期則要短的多。

2、使用靈活方便。由于開發(fā)的板卡是直接在總線的基本規(guī)范上進行，沒有使用一些專用芯片，因而開發(fā)更靈活、自由，受到的限制更少，整個硬件模塊的規(guī)模也較小，可以將很多自己的算法與技術和PCI合成在一起，做出技術含量更高的產(chǎn)品。

3、有利于知識產(chǎn)權(quán)的保護和軟件性能的提高。利用這項技術可以將自己的的算法、技術和一些軟件做成硬件固化到卡上，既提高了運行速度，也使盜版者難以復制。

本文結(jié)合一個實例給出了在PCI總線上利用CPLD技術設計各種板卡的設計方案，簡單實用，有很高的應用價值。■