基于IP核的PCI總線接口設計與實現

pci總線是高性能的32/64位同步總線，具有嚴格的規范保證數據傳輸的可靠性，微處理器與高集成度的外圍設備提供高速安全的接口，是迄今為止最成功的總線規范之一。

由于pci總線協議非常復雜，目前實現pci總線接口主要是使用兩種方式：（1）采用專用接口芯片，如amcc公司的s5933和plx公司的9054、9080。使用接口芯片開發人員可以不考慮pci接口的實現問題，但是在實際應用中通常只用到接口芯片的部分功能，造成了資源的浪費，同時接口芯片占用了板卡上的有限空間，給應用設計帶來不便。（2）使用可編程邏輯器件實現pci總線控制器，使用這種方式開發難度大，消耗周期長，系統驗證困難，且不具備通用性。 隨著ic產業的迅速發展，傳統的、基于標準單元的數字ic設計方法已經發展到基于ip（知識產權）復用的soc設計方法，根據實現的硬件描述級的不同，ip核分為軟核、硬核和固核。其中，軟核是采用可綜合的hdl實現的rtl級設計，與具體實現工藝無關，相比于固核和硬核具有較大的靈活性，在fpga中定制pci接口軟核實現pci接口控制具有明顯的優勢：可以在單片fpga中同時完成pci接口和用戶邏輯的設計，縮減成本，提高集成度，減少資源浪費，實現32/64位的pci、pci－x及兼容compact pci的pci主設備/目標設備接口，消除pci接口芯片與本地通信的信號線的硬線連接，提高用戶邏輯設計的彈性，降低因硬件設計不當造成的損失；統一設計工具和平臺，縮短開發周期。

本文應用pci接口控制ip實現了pci多卡測控系統中pci總線到本地總線的轉換，實際應用表明，采用此設計方案的pci卡運行穩定可靠。

1 應用背景

本文的應用背景為某一工業測控系統，該系統采用fpga實現測量數據的采集和控制信號的輸出，通過定制pci接口ip實現一個32位目標設備的pci總線接口轉換。pci核選用altera pci編譯器所包括的pei_t32兆核函數，fpga選用altera公司的cyclone系列芯片eplc6q240c8，以配合32位/33mhz的pci接口的i/o標準和速度要求，在硬件設計上，為保證3.3v fpga對pci 2.2、5v總線的兼容性要求，在pci總線接口與fpga引腳間加入總線開關進行電平轉換。由于系統應用在工業生產控制場合，因此fpga與外部數據的i/o接口間需要加入光電隔離器件以增量系統的抗干擾能力，系統結構如圖1所示。

2 pci接口兆核函數

altera的pci編譯器（pci compiler）提供了使用altera器件實現pci接口設計的完全解決方案，包括4個32/64位、主/從模式pci接口控制器兆核函數（即接口ip）及相關測試平臺，通過選擇合適的芯片速度，可以滿足運行在33mhz或66mhz pci時鐘下的時序要求，支持altera的stratix ii、stratix、stratix gx、cyclone、cyclone ii和max ii系列器件，支持pci配置空間讀寫、內存方式讀寫和i/o方式讀寫，支持預先讀取模式，支持可參數化的配置寄存器，包括參數化的設備信息、6個可變長度的基址空間和一個擴展rom空間，具有奇偶校驗檢錯，支持pci終止、重試和斷開作業及中斷操作，并提供靈活的本地端接口，pci_t32兆核函數的32位目標設備控制器，其結構和總線接口信號如圖2所示。

在pci總線端，ip核提供32位數據線和目標設備控制信號、中斷請求信號及錯誤報告信號，本地總線端提供32位數據線和地址線、控制信號、中斷輸入信號和狀態表示信號接口。其中，本地端信號l_adi為地址/數據輸入，l_adro為地址輸出，l_dato為數據輸出，l_beno為字節使能輸出，l_cmdo為本地命令輸出。控制信號lt_abortn、lt_discn和lt_rdyn為本地端輸入，分別標志本地設備終止、斷開和準確好、lt_framen、lt_ackn和lt_dxfrn為目標傳輸控制信號，相當于pci總線的frame＃、devsel＃和trdy＃。lt_tsr為目標作業狀態寄存器輸出。lirqn為中斷輸入信號。

可以通過pci編譯器ip工具臺或編輯兆核函數頭文件的方式修改pci配置空間信息，本系統gci兆核函數的配置信息如下：

3 本地總線讀寫狀態機
在用戶邏輯中，通過總線讀寫狀態機實現內存方式單周期或迸發讀寫、i/o單周期或迸發讀寫以及在設備不能完成作業時發起（目標）或響應（主）終止、斷開或重試等作業，保證pci作業正確結束，以帶迸發模式的內存讀寫作業為例，作為目標設備的本地總線讀寫狀態轉移圖如圖3所示。

idle為設備空閑狀態。

add_latch為地址鎖定狀態。lt_framen有效表示ip核接到一次pci讀寫作業并啟動本地端做出響應，此時目標設備鎖存地址l_adro及命令l_cmdo，并對命令做出解釋。l_cmdo的值為6，則進入memory_read狀態；為7，則進入ip_ready狀態；其他值，則使能lt_discn并進入retry狀態。

mem_read為內存讀作業狀態，lt_ackn有效驅動目標設備將數據放到總線上，如為迸發方式，則lt_rdyn和lt_dxfrn持續有效，驅使目標設備連續將地址相連的數據輸出，如目標設備在迸發作業中需延緩迸發作業，則可使lt_rdyn無效來進入等待周期，此時狀態機回到add_latch狀態，直到目標設備再次準備好，并同時使lt_rdyn有效并輸出數據。

retry為設備重試狀態，在作業開始，目標設備尚未準備好發送或接收數據，則發起一次重試作業，即在lt_framen有效后使lt_discn有效并等待主設備結束作業。

discn為設備斷開狀態，在迸發讀寫左右中，目標設備檢測到地址超出有效范圍，則發起目標斷開作業，在迸發寫作業中斷，在最后一次有效寫數據前一時鐘使lt_discn有效，在迸發讀作業中，將最后一個數據放在總線上的同時使lt_discn有效。

ip_ready為內存寫操作ip核準備傳輸數據狀態。

mem_write為內存寫作業狀態，在同時使能lt_rdyn后等待lt_ackn和lt_dxfrn有效時讀取總線上的數據l_dato，迸發寫或加入等待周期的時序與讀作業類似。

stat_chech為狀態檢測；lt_ackn和lt_dxfrn同時無效標志著內存單次/迸發讀作業完成，然后檢測作業狀態寄存器lt_tsr并返回idle狀態。

每一次作業開始，都啟動計數器，防止操作超時。

使用signaltap ii嵌入式邏輯分析儀實際捕獲的pci內存讀寫作業的pci和本地總線信號時序圖如圖4所示，采樣時鐘為pci總線時鐘。

4 pci電氣特性要求設計
由于目前絕大多數主板采用5v的pci規范，而altera的cyclone系列fpga的i/o口電壓只支持3.3v，因此需要在fpga和pci連接器間加入電平轉換電路。
實現電平轉換的原理是在總線間加入nmos總線開關，實現方式如圖5所示。

其中總線開關選用idt公司的qs3861，首先，考慮電平轉換的實現方法，當總線選通信號be＃使能，總線a的輸入電壓上升，總線b的電壓隨之上升，當總線a的電壓超過vcc－vt（vt的典型值為1v）時，總線b的電壓將被箝位到vcc－vt，而不會繼續上升，因此選擇vcc位4.3v，則能保證總線b的信號滿足3.3v標準。當3.3v總線b驅動總線a時，由于5v pci規范中定義的邏輯高電壓是2v－5.5v，因此也能夠保證fpga端驅動pci的高電壓要求。 其次，驗證是否滿足pci時序要求，pci2.2協議規定一個時鐘周期分為4部分：

t（30ns）＝tval＋tprop＋tsu＋tskew

其中：tval為時鐘到輸出信號有效延遲，tsu為輸入建立時間，tpro為最大總線傳輸時間，tskew為時鐘抖動時間。pci 2.2協議規定的保持時間為0。
tprop是由于pci總線采用反射波技術引入的，典型值為10ns，tprop與tskew的和不超過12ns。pci 2.2規范規定33mhz信號的建立時間為7ns，66mhz信號的建立時間為3ns，由qs3861引入的數據傳輸延遲為0.25ns。但由于所有pci信號都經過總線開關進行電平轉換，到達fpga的信號整體只有0.25ns的延遲，因此fpga的建立時間仍然設置為7ns，fpga經過運算輸出的信號時序由時鐘到信號有效延遲tval所限定。pci 2.2規范規定33mhz時tval最大為11ns，最小為2ns，由于電平轉換芯片在雙向數據通路的延遲累加，fpga必須包括時鐘到信號最大延遲在10.5ns以內。

最后，考慮布局布線因素，在加入總線開關后，要保證從pci連接器到總線開關及總線開關到fpga的所有32位信號線（除中斷輸入信號、系統信號和jtag信號）的走線長度和不大于1.5英寸、時鐘線長度和為2.5±0.1英寸。

fpga中定制ip核實現pci總線到本地總線的轉換，能夠有效節約pci設備的成本，提高硬件資源利用率，縮短開發時間，目標設備讀寫狀態機對本地總線進行監測，完成設備的內存、i/o讀寫并提供迸發作業支持，在發生異常狀況時，及時發起重試，斷開或終止作業，保證pci總線傳輸正確結束，防止不安全的數據操作出現，為了滿足pci電氣規范，在硬件設計時需要注意3.3v設備掛接5v總線的電平轉換及其帶來的時序和布線問題。