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PCI总线协议的FPGA实现及驱动设计
摘要：采用FPGA技术，在ALTERA公司的FLEX6000系列芯片上实现了从设备模式PCI总线的简化协议，并给出了Windows9x系统下的虚拟设备驱动程序，提供了与应用程序的接口。实现结果表明：该设备结构灵活，功能可靠，有利于与其它模块实现单片集成应用。本系统已应用在数据采集和处理、图像处理等方面。目前，许多公司都提出了新型的计算机高速总线，如Arapahoe总线标准和HyperTransport技术，但各协议互不兼容，没有形成统一标准。作为传统的通用局部总线，PCI总线仍然占据着主流个人电脑市场，具有顽强的生命力。
现在市面上存在着各种PCI接口芯片，如AMCC公司的S5933，PLX的9080系列等。专用芯片可以实现完整的PCI主设备与从设备模式的接口功能，将复杂的PCI总线接口转化相对简单的用户接口，但系统结构受接口芯片的限制，不能灵活地设计目标系统，且成本较高。本文使用符合PCI电气特性的FPGA芯片进行简化的PCI接口逻辑设计，实现了33MHz、32位数据宽度的PCI从设备模块的接口功能，节约了系统的逻辑资源，且可以将其它用户逻辑集成在同一块芯片，降低了成本，增加了设计的灵活性。另外，还给出了Windows9x系统下的设备驱动程序，可以与应用程序接口，形成一个完整的系统。目前，本系统已经被印染企业应用在数据采集和处理等方面。
1 系统构成与功能描述
系统的总体框图如图1所示。
由图1可见，系统的硬件平台为一块PCI卡。此卡的结构十分简洁，主要由FPGA芯片、RAM芯片和输出接口三部分组成。其中，FPGA芯片集成了PCI接口模块和数据处理模块。PCI接口模块实现了33MHz工作时钟、32位总线宽度的接口功能，支持I/O空间、内存空间及配置空间的读写和PCI中断功能。由于简化的PCI接口占用的逻辑资源较少，可在同一块芯片中集成其他用户逻辑。作为一个应用实例，本文加入了一个数据处理模块，对PCI接口传送来的数据进行处理，通过片外的输出接口输出到下位机。RAM芯片为数据处理提供缓存功能。
2 从设备模式下的简化PCI协议的实现
为了实现PCI接口的基本功能，必须完成以下几个模块：
（1）PCI配置空间设置。PCI协议支持三种地址空间：I/O空间、内存空间和配置空间。配置空间提供了支持PCI设备自动配置的机制，是必需的。
（2）PCI从设备状态机。PCI总线状态机是具有PCI总线的计算机系统状态流，是由一个已知状态到另一个状态的条件、时序的描述。这是PCI接口设计中最基本也是最重要的部分。
（3）地址译码和命令译码。地址译码用来确定PCI设备是否应当响应当前总线的操作；命令译码则用来指示PCI设备根据不同的总线命令作出相应的动作。
本文采用ALTERA公司的Max PlusII软件平台，硬件描述语言使用ALTERA HDL语言，也可以方便地转换民VHDL或VerilogHDL语言。在此之前，先引入PCI总线信号的定义。
2.1 总线信号定义
根据PCI总线协议2.2版，从设备模式下PCI接口至少包含47根引脚。图2给出了按功能划分的引脚分布，左边是必需引脚。右边是可选引脚。为简化起见，本文采用了如下引脚，其他引脚均不使能或置为高阻态。
（1）由系统提供的33MHz的同步时钟信号CLK和复位信号RST#（#表示低电平有效）；
（2）关于数据传输的核心信号：32位地址/数据复用线AD[31:0]、总线命令/字节使能复用线C/BE[3:0]#和偶校验信号PAR；
（3）接口控制信号FRAME#、TRDY#、IRDY#、STOP#、DEVSEL#和IDSEL。其中，FRAME#为数据传输起止信号，TRDY#为主设备准备好信号，IRDY#为从设备准备好信号，STOP#为从设备停止请求信号，DEVSEL#为设备选择信号，IDSEL为配置空间读写时的片选信号；
（4）中断引脚INTA#。
为简化PCI协议，本文只实现了最重要的总线命令，表1给出了所支持的总线命令对应的C/BE[3:0]#编码值。
表1 支持的总线命令
0011
0110
0111
1010
1011I/O读
I/O写
存储器读
存储器写
配置空间读
配置空间写
2.2 配置空间设置
配置空间大小为256字节，前64字节必需，记录了PCI设备的基本住处，比较重要的有：
（1）VendorID、DeviceID和Class Code域：分别表示设备的生产厂商、设备编号和类型；
（2）Command和Status域：分别给出了对PCI设备的控制命令和当前状态；
（3）Base Adress Register域：指示此PCI设备按I/O方式还是内存方式进行读写以及需要的地址空间大小；
（4）Interrupt Line和Interrupt Pin域：分别指明了设备使用的断号和中断引脚。
在对配置空间的访问中，用AD[7:2]寻址一个双字DWORD。在本设计中，配置空间设置如表2所示。
2.3 简化的从设备状态机
在PCI协议中，标准的从设备状态机包含五种状态，而且各状态的跳转条件比较复杂。本文在不违反PCI协议的前提下，简化了从设备的状态机，如图3所示。
图3中，状态转移条件信号a、b、c定义如下：a代表配置空间访问条件,b代表I/O空间或内存空间访问条件，c代表总线传输开始条件。这三个条件的实现由后面的命令译码模块给出。
表2 配置空间设置（均为十六进制）
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