簡易通用型PCI接口的VHDL-CPLD設(shè)計
摘要：從PCI時序分析入手，重點闡述了PCI通用的狀態(tài)機(jī)設(shè)計，說明了用VHDL語言來實現(xiàn)本PIC通信狀態(tài)機(jī)的軟件設(shè)計以及進(jìn)行MaxPlusII驗證的程序和方法。用該方法所設(shè)計的接口既可支持PCI常規(guī)傳輸，又可支持PCI猝發(fā)傳輸。
關(guān)鍵詞：PCI時序 CPLD器件 狀態(tài)圖 VHDL語言 PCI猝發(fā)傳輸
用CPLD設(shè)計所構(gòu)成的CPI接口系統(tǒng)具有簡潔、可靠等優(yōu)點，是一種行之有效的設(shè)計途徑。很多技術(shù)雜志和網(wǎng)站上，都有不少用CPLD設(shè)計PCI常規(guī)傳輸系統(tǒng)的文章。但用這些方法在MzxPlusII、Fundition等環(huán)境下進(jìn)行模擬仿真時，其產(chǎn)生的時序往往與PCI規(guī)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(nèi)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(shè)計應(yīng)用中有很大的局限性。因此，使用通用型CPLD器件設(shè)計簡易型PCI接口有很大的現(xiàn)實意義。在Compact接口的CPLD設(shè)計中，筆者根據(jù)PCI總線傳輸時序來進(jìn)行狀態(tài)機(jī)構(gòu)造，并使用VHDL語言進(jìn)行功能模擬和定時分析，從而達(dá)到了預(yù)期目的。用該方法設(shè)計的CPLD-PCI接口既可支持PCI常規(guī)傳輸，也可支持PCI猝發(fā)傳輸，而且在系統(tǒng)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(gòu)成的系統(tǒng)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(gòu)成與變換，并對雙口RAM進(jìn)行適當(dāng)操作。在整個系統(tǒng)的設(shè)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?shù)倪壿嬙O(shè)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(shù)據(jù)/地址線、接口控制線、仲裁、總線命令及系統(tǒng)線等。每次數(shù)據(jù)傳輸均由一個地址脈沖和一個或幾個數(shù)據(jù)脈沖組成。一次傳輸一個地址和一個數(shù)據(jù)的稱為常規(guī)傳輸；一次傳輸一個地址和一批數(shù)據(jù)的稱為猝發(fā)傳輸。常用的控制信號有：幀同步信號FRAME、主設(shè)備準(zhǔn)備好信號IRDY、從設(shè)備準(zhǔn)備好信號TRDY、從設(shè)備選通信號DEVSEL、命令/字節(jié)信號C/BE等。圖2 和圖3分別給出了PCI單數(shù)據(jù)段和猝發(fā)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(shù)據(jù)傳輸時首先傳出地址和命令字，從設(shè)備一般可從地址中確定是不是對本機(jī)的訪問，并確定訪問的首地址；而從設(shè)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(tài)時才能進(jìn)行；
（3）猝發(fā)傳輸通常需要通過邏輯來實現(xiàn)地址的自動遞加；
（4）主從設(shè)備中任一方?jīng)]有準(zhǔn)備好，操作中都需要能夠引起等待狀態(tài)插入的活動；
（5）系統(tǒng)通常在幀同步信號FRAME的下降沿誘發(fā)數(shù)據(jù)傳輸，而在上升沿指明只有一個數(shù)據(jù)或只剩下一個數(shù)據(jù)；
（6）讀操作比寫操作多一個中間準(zhǔn)備過程。
圖2
3 基于CPLD的狀態(tài)機(jī)設(shè)計
3.1 狀態(tài)機(jī)的構(gòu)造
根據(jù)對上述時序圖的分析，完成一個簡易PCI總線傳輸需要設(shè)計六個狀態(tài)：S0～S5，其中狀態(tài)S0標(biāo)識PCI總線空閑時期；狀態(tài)S1標(biāo)識地址與總線命令識別階段；狀態(tài)S2標(biāo)識讀操作入口的準(zhǔn)備階段；狀態(tài)S3標(biāo)識讀/寫訪問周期；狀態(tài)S4標(biāo)識最后一個數(shù)據(jù)傳輸階段；狀態(tài)S5標(biāo)識操作中的等待時期。
3.2 狀態(tài)功能的確定
各狀態(tài)所應(yīng)執(zhí)行的功能如下：
狀態(tài)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(tài)，此時地址呈現(xiàn)三態(tài)。此外，在S1態(tài)還應(yīng)依據(jù)地址信號來確定是不是對本機(jī)的選擇，并識別是不是讀或?qū)懖僮鳌?/P>
狀態(tài)S3～S4用于對PCI總線置低信號TRDY和DEVSEL；對雙口RAM則產(chǎn)生片選信號CS、讀或?qū)懶盘?，同時確定適當(dāng)?shù)淖x寫訪問地址。
狀態(tài)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(tài)，此時地址呈現(xiàn)三態(tài)。
3.3 狀態(tài)變化的確定
根據(jù)對PCI總線傳輸時序的分析，影響各個狀態(tài)相互轉(zhuǎn)化的因素是：幀同步信號FRAME、主設(shè)備準(zhǔn)備好信號IRDY、從設(shè)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(biāo)識狀態(tài)S1產(chǎn)生的中間識別信號。
圖3
需要注意，在狀態(tài)S1時要寄存收到的首地址，而在狀態(tài)S3變化時要適時進(jìn)行地址遞增。
還要注意狀態(tài)機(jī)設(shè)計時產(chǎn)生的容錯問題，以便在非設(shè)計狀態(tài)下能夠無條件回到空閑態(tài)S0。
由于采用的是高速雙口RAM，并且規(guī)劃分開了RAM兩側(cè)的寫操作區(qū)域，因此可以認(rèn)為：RAM是可以任意訪問的。
3.4 狀態(tài)圖的規(guī)劃
綜上所述便可得出如圖4所示的設(shè)計規(guī)劃圖。
4 VHDL語言的描述
設(shè)計時，使用三個進(jìn)程和幾個并行語句可實現(xiàn)整個CPLD的功能：一個進(jìn)程用于完成從設(shè)備及其讀寫操作的識別；一個進(jìn)程用于完成操作地址的獲取與地址的遞增；第三個進(jìn)程完成狀態(tài)機(jī)的變化。用幾個并行語句完成操作信號的產(chǎn)生時，需要注意，各狀態(tài)所完成的功能要用并行語句實現(xiàn)，不能再用進(jìn)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(shè)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(chǎn)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(tài)機(jī)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。
圖5
5 MaxPlusII的驗證
設(shè)計CPLD時，可使用MaxPlusII軟件來進(jìn)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(tǒng)可編程器件EPM7064SLC84-5。圖5所示是其讀寫訪問的仿真波形圖。
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