簡易通用型PCI接口的VHDL-CPLD設計

　　用CPLD設計所構成的CPI接口系統具有簡潔、可靠等優點，是一種行之有效的設計途徑。很多技術雜志和網站上，都有不少用CPLD設計PCI常規傳輸系統的文章。但用這些方法在MzxPlusII、Fundition等環境下進行模擬仿真時，其產生的時序往往與PCI規范有很大出入。雖然 Altera 等公司推出PCI核可以直接使用，但這樣的內核占用CPLD資源較多，且能適配的器件種類少，同時價格也高，在實際設計應用中有很大的局限性。因此，使用通用型CPLD器件設計簡易型PCI接口有很大的現實意義。在Compact接口的CPLD設計中，筆者根據PCI總線傳輸時序來進行狀態機構造，并使用 VHDL語言進行功能模擬和定時分析，從而達到了預期目的。用該方法設計的CPLD-PCI接口既可支持PCI常規傳輸，也可支持PCI猝發傳輸，而且在系統編程和下載器件方面，效果也都很好。

　　1 典型的CPLD-PCI接口模型簡介

　　用CPLD作PCI接口所構成的系統模型如圖1所示。這里，CPLD/FPGA用于完成PCI主/從傳輸時序的邏輯構成與變換，并對雙口RAM進行適當操作。在整個系統的設計中，CPLD常常使用PCI總線的33MHz時鐘，雙口RAM常常選用高速器件來簡化PCI傳輸的邏輯設計。

　　2 PCI總線傳輸時序分析

　　PCI總線傳輸至少需要40多條信號線，包括數據/地址線、接口控制線、仲裁、總線命令及系統線等。每次數據傳輸均由一個地址脈沖和一個或幾個數據脈沖組成。一次傳輸一個地址和一個數據的稱為常規傳輸;一次傳輸一個地址和一批數據的稱為猝發傳輸。常用的控制信號有：幀同步信號FRAME、主設備準備好信號 IRDY、從設備準備好信號TRDY、從設備選通信號DEVSEL、命令/字節信號C/BE等。圖2 和圖3分別給出了PCI單數據段和猝發操作時的讀寫時序。

　　分析PCI總線的傳輸時序，可以看出，PCI總線傳輸有以下幾個顯著特點：

　　(1)每次數據傳輸時首先傳出地址和命令字，從設備一般可從地址中確定是不是對本機的訪問，并確定訪問的首地址;而從設備則從命令字中識別該訪問是讀操作還是寫操作;

　　(2)讀寫訪問只有在信號IRDY、TRDY、DEVSEL都為低狀態時才能進行;

　　(3)猝發傳輸通常需要通過邏輯來實現地址的自動遞加;

　　(4)主從設備中任一方沒有準備好，操作中都需要能夠引起等待狀態插入的活動;

　　(5)系統通常在幀同步信號FRAME的下降沿誘發數據傳輸，而在上升沿指明只有一個數據或只剩下一個數據;

　　(6)讀操作比寫操作多一個中間準備過程。

　　3 基于CPLD的狀態機設計

　　3.1 狀態機的構造

　　根據對上述時序圖的分析，完成一個簡易PCI總線傳輸需要設計六個狀態：S0～S5，其中狀態S0標識PCI總線空閑時期;狀態S1標識地址與總線命令識別階段;狀態S2標識讀操作入口的準備階段;狀態S3標識讀/寫訪問周期;狀態S4標識最后一個數據傳輸階段;狀態S5標識操作中的等待時期。

　　3.2 狀態功能的確定

　　各狀態所應執行的功能如下：

　　狀態S0～S2用于對PCI總線置高信號TRDY和DEVSEL;對雙口RAM則置高片選信號CS，以使讀/寫信號處于讀狀態，此時地址呈現三態。此外，在S1態還應依據地址信號來確定是不是對本機的選擇，并識別是不是讀或寫操作。

　　狀態S3～S4用于對PCI總線置低信號TRDY和DEVSEL;對雙口RAM則產生片選信號CS、讀或寫信號，同時確定適當的讀寫訪問地址。

　　狀態S5用于對PCI總線置低信號TRDY和DEVSEL;并且對雙口RAM置高片選信號CS，以使讀/寫信號處于讀狀態，此時地址呈現三態。

　　3.3 狀態變化的確定

　　根據對PCI總線傳輸時序的分析，影響各個狀態相互轉化的因素是：幀同步信號FRAME、主設備準備好信號IRDY、從設備選擇信號CS-MAP、讀識別信號READ以及寫識別信號WRITE。這里，可用CS-MAP、READ、WRITE來標識狀態S1產生的中間識別信號。

　　需要注意，在狀態S1時要寄存收到的首地址，而在狀態S3變化時要適時進行地址遞增。

　　還要注意狀態機設計時產生的容錯問題，以便在非設計狀態下能夠無條件回到空閑態S0。

　　由于采用的是高速雙口RAM，并且規劃分開了RAM兩側的寫操作區域，因此可以認為：RAM是可以任意訪問的。

　　3.4 狀態圖的規劃

　　綜上所述便可得出如圖4所示的設計規劃圖。

　　4 VHDL語言的描述

　　設計時，使用三個進程和幾個并行語句可實現整個CPLD的功能：一個進程用于完成從設備及其讀寫操作的識別;一個進程用于完成操作地址的獲取與地址的遞增;第三個進程完成狀 態機的變化。用幾個并行語句完成操作信號的產生時，需要注意，各狀態所完成的功能要用并行語句實現，不能再用進程，否則就會引起邏輯綜合的麻煩，有時甚至根本不能綜合。整 個程序如下：

　　LIBRARY ieee;

　　USE ieee.std_logIC_1164.All;

　　USE ieee.std_logic_unsigned.ALL;

　　ENTTTY cPCI IS

　　PORT(clk,rst,frame,irdy:IN STD_LOGIC;

　　ad_high : IN STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 24);

　　ad_low : IN STD_LOGIC_VECTOR(12 downto 0);

　　c_be : IN STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0);

　　trdy,devsel:OUT STD_LOGIC;

　　cs, r_w :OUT STD-LOGIC;

　　addr: OUT STD_LOGIC_VECTOR(12 downto 0);

　　END cpci;

　　ARCHITECTURE behave OF cPCI IS

　　SIGNAL addr_map : STD_LOGIC_VECTOR(12 downto 0);

　　SIGNAL read,write,cs-map:STD_LOGIC;

　　TYPE state_type IS(s0,s1,s2,s3,s4,s5);

　　SIGNAL state: state_type;

　　BEGIN

　　Identify: PROCESS(clk)- -讀、寫、從設備的識別

　　BEGIN

　　IF rising_edge(clk)THEN

　　IF c_be=X"6"AND ad_high=X"50"AND state="s1"

　　HTEN read < = '0'; - -讀

　　write < = '1';

　　cs_map < ='0';

　　ELSIF c_be=X"7"AND ad_high= X"50"

　　AND state="s1" THEN

　　read < = '1'; - -寫

　　write < = '0';

　　cs_map < ='0';

　　ELSIF state="s0" THEN

　　read < = '1';

　　write < = '1';

　　cs_map < ='1';

　　END IF;

　　END IF;

　　END PROCESS;

　　Addr_count:PROCESS (clk) - -操作地址的獲取與地址的遞增

　　BEGIN

　　IF falling_edge(clk)THEN

　　IF state="s1" THEN addr_map< =ad-low;

　　ELSIF state="s3" THEN addr_map< =addr-map+1;

　　END IF;

　　END IF;

　　END PROCESS;

　　- - 操作信號的產生

　　addr < = addr-map WHEN state="s3" OR state="s4"

　　ELSE "ZZZZZZZZZZZZZ"

　　trdy < = '0' WHEN state="s3" OR state="s4" OR state="s5"

　　ELSE '1';

　　devsel < = '0'WHEN state="s3" OR state="s4" OR state="s5"

　　ELSE'1';

　　cs < ='0'WHEN state="s3" OR state="s4" ELSE '1';

　　r-w < =NOT clk WHEN write='0'AND (state=s3 OR state="s4")ELSE'1';

　　state-change:PROCESS(clk,rst) - - 狀態機的變化

　　BEGIN

　　IF rst='0'THEN state < = s0;

　　ELSIF falling-edge(clk)THEN

　　CASE state IS

　　WHEN s0 = >

　　IF frame='1'AND irdy='1'THEN state < = s0;

　　ELSIF frame='0' AND irdy= '1' THEN state < = s1;

　　END IF;

　　WHEN s1 = >

　　IF cs_map='1'OR (read='1'AND write ='1')

　　THEN state < = s0;

　　ELSIF irdy='1'AND read='0' THEN state < =s2;

　　ELSIF frame='0'AND irdy='0'AND write='0'

　　THEN state < = s3;

　　ELSIF frame='1'AND irdy='0'AND write='0'

　　THEN state < = s4;

　　END IF;

　　WHEN s2 = >

　　IF frame='1'AND irdy='1'THEN state < = s0;

　　ELSIF frame='0'AND irdy='0'AND read='0'

　　THEN state < = s3;

　　ELSIF frame='1'AND irdy='0'AND read='0'

　　THEN state < = s4;

　　END IF;

　　WHEN s3 = >

　　IF frame='1'AND irdy='1'THEN state < = s0;

　　ELSIF frame='0' AND irdy= '1' THEN state < = s5;

　　ELSIF frame='1'AND irdy='0' THEN state < =s4;

　　ELSIF frame='0' AND irdy= '1' THEN state < = s3;

　　END IF;

　　WHEN s4 = >

　　ELSIF frame='1'AND irdy='0'THEN state < = s4;

　　END IF;

　　WHEN s5 = >

　　IF frame='1'AND irdy='1'THEN state < = s0;

　　ELSIF frame='0' AND irdy= '0'THEN state < = s3;

　　ELSIF frame='1'AND irdy='0' THEN state < =s4;

　　ELSE state < = s5;

　　END IF;

　　WHEN OTHERS = > state < = s0;

　　END CASE;

　　END IF;

　　END PROCESS state_change;

　　END behave。

　　5 MaxPlusII的驗證

　　設計CPLD時，可使用MaxPlusII軟件來進行邏輯綜合、功能模擬與定時分析。本例選用 Altera 的Max7000系列在系統可編程器件EPM7064SLC84-5。圖5所示是其讀寫訪問的仿真波形圖。