基于Wishbone片上總線的PCI Bridge核的研究和應

摘要：討論了PCI主橋的應用和Wishbone片上總線技術，詳細介紹了基于Wishbone總線的PCI Bridge核的功能、內部結構和操作方式。實驗證明，在PCI系統中使用PCI Bridge核進行開發設計，電路簡潔，使用方便靈活。

關鍵詞：PCI主橋；Wishbone片上總線；PCI橋核

自ＰＣＩ協議問世以來，ＰＣＩ總線應用越來越廣泛，現已成為事實上的計算機總線標準。隨著ＰＣＩ應用和開發的深入，往往需要在復雜的ＰＣＩ系統中使用ＰＣＩ橋來完成設計工作，包括使用主／ＰＣＩ橋來完成整個系統的初始化配置過程。ＰＣＩ橋的使用已從傳統的ＰＣ機領域拓展到更多的電子應用系統中。

１ ＰＣＩ主橋簡介

在復雜的ＰＣＩ系統中，往往擁有不只一條ＰＣＩ總線。為了提高ＰＣＩ系統的負載能力，可用ＰＣＩ－ＰＣＩ橋把各條ＰＣＩ總線連接起來，同時在處理器總線與ＰＣＩ總線之間使用主／ＰＣＩ橋來完成總線轉換，以形成完整的ＰＣＩ系統。常用的ＰＣＩ系統結構如圖１所示。

系統上電時，主ＣＰＵ（處理器）對ＰＣＩ目標設備的初始化也稱為配置訪問。由于ＰＣＩ目標設備所定義的配置空間通常不在ＣＰＵ的存儲器和Ｉ／Ｏ空間中，所以需要一種特殊的機制來執行配置訪問。這種機制通常由主／ＰＣＩ橋來完成。配置軟件在上電后能夠掃描ＰＣＩ總線，以確定現有哪些ＰＣＩ設備，并根據它們的配置要求分別進行配置。配置完成后，各個ＰＣＩ目標設備就可以在ＰＣＩ總線控制器的協調仲裁下正常工作。

在ＰＣ兼容系統中，主／ＰＣＩ橋也稱為北橋，用于連接主處理器總線和基礎ＰＣＩ局部總線（第一級ＰＣＩ總線）。北橋芯片內通常集成有主存儲器控制器，因此處理速度很快。南橋芯片內一般集成有ＩＤＥ控制器、ＵＳＢ和其它速度較慢的Ｉ／Ｏ控制器，因此處理速度相對較慢。南北橋構成芯片組。

２ Wishbone片上總線技術

片上系統ＳＯＣ（Ｓｙｓｔｅｍ－Ｏｎ－Ｃｈｉｐ）技術近兩年發展迅速，越來越多的廠商開始開發自己的ＩＰ核，然后提供給系統集成者。而各廠商采用自己定義的ＩＰ核接口規范來開發產品，使得系統集成成為一個棘手的問題。為了提供ＩＰ核的可重用性，實現眾多廠商ＩＰ核的有效互連，片上總線ＯＣＢ（Ｏｎ－Ｃｈｉｐ－Ｂｕｓ）技術就應運而生了。目前在ＳＯＣ領域較有影響的三種片上總線標準為：ＩＢＭ公司的Ｃｏｒｅ-ｃｏｎｎｅｃｔ、ＡＲＭ公司的ＡＭＢＡ和ＳｉｌｉｃｏｒｅＣｏｒｐ公司的Ｗｉｓｈｂｏｎｅ總線。其中Ｗｉｓｈｂｏｎｅ總線已經被全球最大的開放ＩＰ組織（Ｏｐｅｎｃｏｒｅｓ）列為主要支持的ＳＯＣ內部互連總線協議。遵循Ｗｉｓｈｂｏｎｅ總線協議的ＩＰ核可以很快有效地集成到ＳＯＣ中。目前，Ｏｐｅｎｃｏｒｅｓ上很多開放的ＩＰ核接口都采用Ｗｉｓｈｂｏｎｅ總線設計。而且越來越多的ＩＰ核商用廠商也宣布支持Ｗｉｓｈ-ｂｏｎｅ總線協議。

Ｗｉｓｈｂｏｎｅ總線最大的特點是結構簡單靈活，需要邏輯門少；同時完全免費、完全公開。Ｗｉｓｈｂｏｎｅ規范支持完整的普通數據傳輸協議，包括單個讀寫周期、塊傳輸等。數據總線寬度為８～６４位（寬度仍然可以擴展），地址總線可以達到６４位；最快時一個時鐘周期就可進行一次數據傳輸；支持握手協議，速率可以調整；支持出錯重試等。在Ｗｉｓｈｂｏｎｅ總線規范中，可使用Ｍａｓｔｅｒ／Ｓｌａｖｅ結構實現非常靈活的系統設計。Ｍａｓｔｅｒ和Ｓｌａｖｅ有四種互連方式，分別為：點對點、數據流、共享總線和交叉互連。其中點對點方式是連接一個Ｍａｓｔｅｒ和一個Ｓｌａｖｅ最簡單的方式，使用起來非常方便。圖２給出了采用點對點互連方式的Ｗｉｓｈｂｏｎｅ主／從接口圖。其中ＳＹＳＣＯＮ為產生ＲＳＴ復位和ＣＬＫ時鐘信號的模塊，ＴＡＧＮ為用戶自定義信號。

Ｗｉｓｈｂｏｎｅ 在Ｍａｓｔｅｒ和Ｓｌａｖｅ之間使用的握手協議如圖３所示。當準備好傳輸數據時?Ｍａｓｔｅｒ使ＳＴＢ Ｏ信號有效，ＳＴＢ Ｏ狀態將一直保持到Ｓｌａｖｅ的結束信號ＡＣＫ Ｏ、ＥＲＲ Ｏ 或 ＲＴＹ Ｏ?對Ｍａｓｔｅｒ而言是ＡＣＫ Ｉ?ＥＲＲ Ｉ和ＲＴＹ Ｉ? 之一聲明有效。Ｍａｓｔｅｒ在每一個ＣＬＫ Ｉ的上升沿對結束信號采樣?如果該信號有效?ＳＴＢ Ｏ信號變低。此外，Ｗｉｓｈｂｏｎｅ接口的兩邊都能夠完全控制數據傳送的速率。

３ PCI Bridge核

開放ＩＰ組織Ｏｐｅｎｃｏｒｅｓ提供的ＰＣＩ Ｂｒｉｄｇｅ Ｃｏｒｅ提供了Ｗｉｓｈｂｏｎｅ片上系統總線和ＰＣＩ邏輯總線的接口。ＰＣＩ Ｂｒｉｄｇｅ Ｃｏｒｅ由兩個相對獨立的單元組成：一個單元處理由ＰＣＩ總線方啟動的數據交易，另一個單元則處理由Ｗｉｓｈｂｏｎｅ總線方啟動的交易。它是一個ＰＣＩ總線和Ｗｉｓｈｂｏｎｅ總線之間真正的橋。

ＰＣＩ 橋核支持３２位ＰＣＩ總線接口，并完全兼容ＰＣＩ２．２協議（支持６６ＭＨｚ規范）；它含有獨立的主橋、從橋功能模塊和完整的命令／狀態寄存器；支持Ｗｉｓｈｂｏｎｅ ＳＯＣ互連協議Ｂ版本（包括Ｂ１和Ｂ３）；此外，它可通過Ｗｉｓｈｂｏｎｅ接口支持３２位總線操作；并可配置片上ＦＩＦＯ。

３．１ ＰＣＩ Ｂｒｉｄｇｅ內部結構

ＰＣＩ橋核由兩個相對獨立的單元模塊組成：ＰＣＩ目標單元和Ｗｉｓｈｂｏｎｅ從單元。每個單元自身都有一套完整的功能來支持Ｗｉｓｈｂｏｎｅ和ＰＣＩ總線之間的交易。Ｗｉｓｈｂｏｎｅ從單元可作為ＰＣＩ橋中Ｗｉｓｈ-ｂｏｎｅ側的從設備和ＰＣＩ側的主設備啟動交易；ＰＣＩ目標單元則可作為ＰＣＩ橋中ＰＣＩ側的目標設備和Ｗｉｓｈｂｏｎｅ側的主設備啟動交易。兩個單元互相獨立。ＰＣＩ目標單元用于實現ＰＣＩ總線從設備接口和Ｗｉｓｈｂｏｎｅ總線的主設備接口；而Ｗｉｓｈｂｏｎｅ從單元則用于實現Ｗｉｓｈｂｏｎｅ總線從接口和ＰＣＩ總線的主設備接口。

圖４是ＰＣＩ橋核的內部結構。

３．２ ＰＣＩ Ｂｒｉｄｇｅ的操作

ＰＣＩ橋核有兩種應用方式：主、從橋（相對ＰＣＩ總線而言）。作為從橋時，當ＰＣＩ橋連到擁有ＰＣＩ總線的主機系統上電后，主機系統軟件將掃描ＰＣＩ總線上連接的ＰＣＩ總線設備（包括ＰＣＩ橋），然后配置ＰＣＩ橋空間寄存器，即由配置軟件來完成ＰＣＩ橋的初始化配置過程。之后，ＰＣＩ橋進入正常工作狀態。

ＰＣＩ橋核作為主橋時，ＰＣＩ橋完全控制ＰＣＩ總線。ＰＣＩ橋的Ｗｉｓｈｂｏｎｅ代理設備完全負責連接到ＰＣＩ總線上的ＰＣＩ設備的初始化配置過程。運行在Ｗｉｓｈｂｏｎｅ代理設備上的固件（設備無關軟件）在上電后掃描ＰＣＩ總線，以確定有哪些ＰＣＩ設備，并分別有什么配置要求。然后在Ｗｉｓｈｂｏｎｅ映象０空間內配置各個ＰＣＩ設備的配置空間。配置完成即可加載各個ＰＣＩ設備的驅動程序。此時ＰＣＩ設備也可以通過ＰＣＩ橋的ＰＣＩ目標單元訪問Ｗｉｓｈｂｏｎｅ總線。

ＰＣＩ橋的配置空間包括兩個部分：一個部分為Ｗｉｓｈｂｏｎｅ從單元的配置、狀態和控制寄存器；另一個部分為ＰＣＩ目標單元的配置、狀態和控制寄存器（包括ＰＣＩ協議要求實現的２５６字節標準配置空間）。ＰＣＩ橋通過相應的地址映像空間（ＰＣＩ映像０和Ｗｉｓｈｂｏｎｅ映像０）來實現ＰＣＩ橋兩側代理設備訪問ＰＣＩ橋的配置空間。作為從橋時，主機系統的主橋可以使用普通的存儲器讀寫指令來訪問ＰＣＩ橋的配置空間，也可以通過配置讀寫指令來訪問ＰＣＩ橋配置空間的低２５６字節。作為主橋時，ＰＣＩ橋本身就可以產生配置周期。如同ＰＣ機Ｘ８６系統的主橋配置機制０一樣，ＰＣＩ橋的Ｗｉｓｈｂｏｎｅ代理主設備可以通過訪問ＰＣＩ橋配置空間的ＣＮＦ＿ＡＤＤＲ和ＣＮＦ＿ＤＡＴＡ寄存器來產生配置讀寫命令，從而實現對其它ＰＣＩ設備的上電初始化過程。

由于ＰＣＩ橋核是一個軟核，在ＰＣＩ橋核中有一個參數頭文件。可以通過更改ＰＣＩ橋核頭文件的參數來改變ＰＣＩ橋的操作方式（如主橋或從橋設置、ＰＣＩ或Ｗｉｓｈｂｏｎｅ映像空間的定義等），因而使用非常方便。

４ 使用PCI Bridge核來訪問PCI設備

ＰＣＩ橋作為從橋一般用在ＰＣＩ擴展卡上（或稱ＰＣＩ周邊卡），如數據采集，圖像傳輸等。而作為主橋一般用在ＰＣＩ總線的主控板上（或稱ＰＣＩ系統卡），但需要初始化ＰＣＩ總線上的功能設備，并控制ＰＣＩ總線的操作。

為了調試主／從橋的應用，筆者設計了三塊電路板來協調控制ＰＣＩ總線的操作。一塊為ＦＰＧＡ板（Ｘｉｌｉｎｘ公司的Ｓｐａｒｔａｎ ＩＩ芯片，設計有ＰＣＩ接口），一塊為微控制器板（５１單片機），一塊為普通ＰＣＩ擴展卡。

作為從橋時，只需要ＦＰＧＡ板就可以完成整個實驗過程。即用Ｖｅｒｉｌｏｇ語言實現一個Ｗｉｓｈｂｏｎｅ從接口，并連接到ＦＰＧＡ內部的ＢｌｏｃｋＲＡＭ上（可由ＩＳＥ的ＣＯＲＥ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ產生），然后選擇ＰＣＩ Ｂｒｉｄｇｅ核的應用方式為ＧＵＥＳＴ（從橋方式），并連同自己的程序一起編譯下載到ＦＰＧＡ的配置芯片上。這樣，把ＦＰ-ＧＡ板插入ＰＣ機的ＰＣＩ插槽，就可在ＰＣ機上開發驅動程序來訪問ＦＰＧＡ板上的資源（如ＲＡＭ等）。如果要進行數據采集，可以把Ｗｉｓｈｂｏｎｅ從接口連接到數據采集模塊上。從橋實現的功能模塊圖如圖５所示。

作為主橋時（選擇ＰＣＩ Ｂｒｉｄｇｅ核的應用方式為ＨＯＳＴ），由于ＦＰＧＡ板上沒有微控制器，所以需要把ＦＰＧＡ板上的Ｉ／Ｏ口與５１單片機電路板上的Ｉ／Ｏ擴展口連接起來一起形成ＰＣＩ主控板。ＦＰＧＡ板和普通ＰＣＩ擴展板都插到獨立的ＰＣＩ底板的ＰＣＩ插槽上，然后在ＦＰＧＡ板上和單片機板上進行編程以實現對普通ＰＣＩ擴展板的初始化配置和正常讀寫操作。其電路功能模塊框圖如圖６所示。

由于單片機的接口是８位，讀寫時序也和ＰＣＩ橋中的Ｗｉｓｈｂｏｎｅ時序不同，所以需要在ＰＣＩ橋和單片機擴展Ｉ／Ｏ口之間用軟件實現一個Ｗｉｓｈｂｏｎｅ主接口。該Ｗｉｓｈｂｏｎｅ主接口的工作過程為：單片機發出讀操作時，先傳送４次８位地址數據到ＦＰＧＡ中，再將由Ｗｉｓｈｂｏｎｅ主接口組成的３２位地址存儲在一個３２位地址寄存器中，隨后單片機發出讀命令，以啟動Ｗｉｓｈｂｏｎｅ主接口進行Ｗｉｓｈｂｏｎｅ總線的讀時序，當Ｗｉｓｈｂｏｎｅ主接口把從ＰＣＩ總線上讀來的３２位數據存放在一個３２位讀數據寄存器中后，單片機將分４次讀出３２位數據；單片機進行寫操作如同讀一樣，依次傳送３２位地址和３２位數據，最后發送寫命令啟動Ｗｉｓｈｂｏｎｅ主接口以進行Ｗｉｓｈｂｏｎｅ總線的寫時序。Ｗｉｓｈｂｏｎｅ的讀寫時序可由Ｖｅｒｉｌｏｇ語言描述的同步狀態機實現。

在５１單片機上用Ｃ語言編程實現主控板固件的完整軟件過程為：上電后，固件先按順序依次掃描ＰＣＩ總線上存在的ＰＣＩ設備，掃描的目的之一是為總線和設備編號。當掃描結束后，設備類型、拓撲位置等信息以設備為單位被存放在一個數據結構中，并按實際掃描的順序組成一個鏈表。同時，設備的配置要求也依次存放在這個數據鏈表中。固件得到系統的設備拓撲圖后，分別按照設備的配置要求一一進行配置，也就是分配地址資源給設備的基地址寄存器。配置完成后，各個ＰＣＩ設備即可進入正常工作狀態。