隨著VLSI/ULSI技術(shù)的發(fā)展,，可編程邏輯器件EPLD/FPGA越來越受到人們的青睞,，由于它具有集成度高、速度快,、開發(fā)周期短,、費用低、用戶可定義功能及可重復編程和擦寫等許多優(yōu)點,，其應用領(lǐng)域不斷擴大,。這些器件的靈活性和通用性使得它們已成為研制和開發(fā)復雜數(shù)字系統(tǒng)的理想選擇。
　　在PCI總線技術(shù)規(guī)范的基礎(chǔ)上,，采用EPLD實現(xiàn)了高速PCI總線背板中多主控設(shè)備的總線仲裁,。
1 PCI總線的仲裁機制
　　PCI總線仲裁是基于訪問而不是基于時間片，也就是說,，對于一個PCI總線主設(shè)備,，必須為它在總線上進行的每次訪問提出仲裁要求。PCI總線上采用的是并行仲裁(也叫獨立請求仲裁)方案，其仲裁機制如圖1所示,。在這種仲裁中,，每個主控器各有自己獨立的總線請求線_REQ 和總線允許線_GNT 與總線仲裁器相連，相互間沒有任何控制關(guān)系,。仲裁器直接識別所有設(shè)備的請求,，并根據(jù)一定的優(yōu)先級仲裁算法選中一個設(shè)備Ci ，向它直接發(fā)出總線允許信號_GNTi,。PCI總線的仲裁是“隱含的”,，就是說一次仲裁可以在前一次總線訪問期間完成，這樣就使得仲裁的具體實現(xiàn)不必占用PCI總線周期,。當然在總線空閑時除外,。
　　在實際的PCI總線仲裁電路中，與仲裁直接有關(guān)的控制線除_REQ和_GNT外,，還有_FRAME,、_IRDY。此外,，為了保證總線交換的同步,，還應有一根總線時鐘信號PCIclk和一根總線復位信號_PCIrst，如圖1虛線所示,。

2 總線的缺省占用
　　所謂總線的缺省占用,，就是指在當前沒有設(shè)備使用總線或請求總線的情況下，允許仲裁器根據(jù)一定的方式選定一個設(shè)備作為總線缺省的擁有者,，并向它發(fā)出_GNT信號,。選擇的方式有多種，如可為某一固定設(shè)備,，也可為最后一次使用總線的設(shè)備,，當然也可以指定自己(仲裁器本身)為總線缺省的擁有者。
　　當仲裁器將某一設(shè)備確定為總線的缺省擁有者時,該設(shè)備可以不通過發(fā)_REQ信號就開始一次總線操作(只要總線空閑且_GNT信號有效),。但要注意的是：如果該設(shè)備需要做多次的數(shù)據(jù)傳輸,，它就應當發(fā)出_REQ信號，以便向仲裁器提出多次操作的請求,；而如果該設(shè)備只要求做一次總線操作，它就不應當發(fā)出_REQ信號,，否則仲裁器可能在它不需要使用總線的情況下又給它發(fā)出_GNT信號,。
3 仲裁信號協(xié)定
　　綜上所述， PCI總線的仲裁主要是通過_REQ和_GNT兩個信號來實現(xiàn)的,。前者用于某一設(shè)備要求占用總線的請求,，后者用于允許某一設(shè)備占用總線的應答。而對于一個PCI總線主控器，必須在它真正需要總線時才能發(fā)出_REQ信號,，絕不可以用_REQ信號把自己“?？俊?在總線上。只有總線仲裁器才可以指定誰是總線缺省的擁有者,。
　　當仲裁器允許某一設(shè)備使用總線時,，就向該設(shè)備發(fā)出_GNT信號；相反,，當仲裁器不再允許某一設(shè)備擁有總線控制權(quán)時,，可以在任意時鐘撤消該設(shè)備的_GNT信號。所以,，每個總線主控器在開始一次PCI總線操作時,，一定要確知此時它們的_GNT信號是否有效。如果_GNT信號無效,，這次操作就不可以進行,。
　　PCI總線的仲裁信號之間必須遵循一定的協(xié)定，具體描述如下：
　　· 若_GNT信號撤消而_FRAME有信號,，當前的總線操作是合法的,，并將繼續(xù)下去；
　　· 若總線不是處于空閑狀態(tài),，有可能一個_GNT的撤消碰巧是另一個_GNT發(fā)出的同時,，但如果是在空閑狀態(tài)，則要求一個_GNT撤消到下一個_GNT的發(fā)出之間必須有一個時鐘周期,。否則可能會在AD線和PAR線上出現(xiàn)沖突,；
　　· 當_FRAME無信號時，_GNT可以在任意時間撤消,，以便服務于另一個主設(shè)備,，或者作為對相應的_REQ撤消的響應；
　　· _GNT信號的每次發(fā)出,，只限于相應的總線主控器可以使用總線進行一次總線操作,。若該主控器還想做多次總線訪問時，可以保持它的_REQ信號一直有效,。此時,，如果沒有其它請求，或者當前的主控器具有最高優(yōu)先權(quán),，仲裁器就會繼續(xù)批準總線給當前主控器,；
　　·一個主控器可以在任意時刻撤消其_REQ信號，但要注意,，_REQ信號一旦撤消,，仲裁器將認為該設(shè)備不再請求使用總線,，因而撤消其_GNT信號。若一個主控器只希望做一次總線傳輸,，它應當在發(fā)出_FRAME的同一時鐘周期撤消_REQ,；
　　·如果當前的主控器在它的_GNT信號發(fā)出之后(_REQ也一直有效)，持續(xù)16個空閑周期還沒有開始總線操作,，仲裁器就可以認為當前的主控器“已壞”,。因而，仲裁器可以在任意時刻撤消_GNT信號,，以便服務于一個優(yōu)先級更高的設(shè)備,。
4 優(yōu)先級仲裁算法
　　為了合理地控制和管理系統(tǒng)中需要占用總線的數(shù)據(jù)源，PCI仲裁器必須實現(xiàn)一個特別的優(yōu)先級仲裁算法,，以便在多個設(shè)備同時提出總線占用請求時,，能依據(jù)該仲裁算法判決出哪個設(shè)備應獲得對總線的控制權(quán)?？偩€仲裁可以確保任何時刻總線上最多只有一個設(shè)備發(fā)送信息,，而決不會出現(xiàn)多個主控器同時占用總線的情況。
　　由于總線仲裁算法從根本上說與PCI總線技術(shù)規(guī)范無關(guān),，所以設(shè)計者可以根據(jù)實際需要自由地進行選擇和修改,。但要注意，設(shè)計時必須為所選用的I/O控制器及接插卡提供所要求的訪問延遲保證,。
　　總線優(yōu)先級仲裁算法通常有兩種,，一種是固定優(yōu)先級算法，一種是循環(huán)優(yōu)先級算法,。但不管是哪一種仲裁算法,，都必須滿足以下三個基本要求：
　　· 每一時刻只能有一個設(shè)備作為總線主控器；
　　· 先請求者先響應,，且在一個總線操作周期之內(nèi)不被打斷,；
　　· 同一時刻有幾個設(shè)備發(fā)出請求時，按優(yōu)先級排序響應,。
　　所謂固定優(yōu)先級算法,，就是指PCI總線中各主控器的優(yōu)先級是事先確定好的，在仲裁器仲裁過程中固定不變,；而循環(huán)優(yōu)先級算法則不同,，各主控器的優(yōu)先級在仲裁器的仲裁過程中不是一成不變，而是根據(jù)一定規(guī)律發(fā)生變化的,。
　　表1給出了采用循環(huán)優(yōu)先級算法或固定優(yōu)先級算法時,，PCI總線仲裁器中N個主控器的優(yōu)先級變化規(guī)律。

　　采用固定優(yōu)先級算法,，可以對那些有重要數(shù)據(jù)傳輸,、或有大量實時數(shù)據(jù)傳輸以及經(jīng)常需要占用總線的主設(shè)備賦予較高的優(yōu)先權(quán)，以便有效地利用PCI總線周期,。固定優(yōu)先級算法的缺點是,，它將規(guī)定每個PCI插槽的優(yōu)先級，這也就規(guī)定了接插卡的插放次序,，從而造成了使用上的不便,。另外，固定優(yōu)先級算法有時還會出現(xiàn)總線設(shè)備“撐死”和“餓死”的現(xiàn)象,。相反,，采用循環(huán)優(yōu)先級算法則可以克服這種“飽餓”不均的弊端。在循環(huán)優(yōu)先級算法中,，由于其優(yōu)先級隨著每個總線周期動態(tài)地改變,，各個設(shè)備在總線上的身份平等，獲得總線占用權(quán)的機會均等,。所以,，在一定意義上來說，優(yōu)先級循環(huán)是最公平的算法,。循環(huán)優(yōu)先級的缺點是當處理某些設(shè)備的大批量實時數(shù)據(jù)時會造成效率的降低,。正因如此，在實際中,，常常將這兩種算法結(jié)合起來使用,，以便構(gòu)成更為靈活的仲裁機構(gòu)。
5 仲裁器的EPLD編程設(shè)計
　　下面以支持5個總線主控器的PCI總線仲裁器為例,，給出采用Altera公司的EPLD進行功能實現(xiàn)的主要設(shè)計思路,，其中，所用編程語言為Altera公司的AHDL語言,。該仲裁器采用循環(huán)優(yōu)先級仲裁算法,，且總線的缺省擁有者指定為最后一次使用總線的主設(shè)備。
5.1 PCI總線的狀態(tài)機
　　PCI總線的狀態(tài)機包括三種基本狀態(tài)：無任何總線請求(NO_REQ),、等待周期(WAIT_CYCLE)和幀信號_FRAME的撤消(FRAMED),。其中，_FRAME信號的撤消,，意味著當前的總線操作將進入最后一個數(shù)據(jù)傳輸周期,，此時，_IRDY有效,，一旦 _TRDY也有效,最后一個數(shù)據(jù)傳輸周期就可完成,。而判斷_FRAME是否撤消的具體方法就是判斷_FRAME是否出現(xiàn)從低到高的上跳變。圖2所示即為PCI總線的狀態(tài)機,。圖中,，TIME_OUT為從_GNT發(fā)出到_FRAME變?yōu)橛行试S的PCI總線周期數(shù),。

5.2 PCI總線仲裁器的狀態(tài)機
　　由于此仲裁器最大支持5個PCI總線主控器，所以,，需定義5個狀態(tài)Master0,、Master1、Master2,、Master3,、Master4用來區(qū)分當前是哪一個主控器占用總線。至于仲裁器的仲裁狀態(tài)什么時候應該發(fā)生變化則由總線狀態(tài)機的狀態(tài)決定,，具體如下：當總線狀態(tài)機處于FRAMED狀態(tài),，表明在最后一個數(shù)據(jù)傳輸周期結(jié)束后，它將釋放PCI總線,，此時,，仲裁器便可撤消對它的_GNT信號，以便去服務于另一個主控器,；當總線狀態(tài)機處于NO_REQ狀態(tài),，此時，需要由仲裁器來指定一個缺省的總線占用者,；當總線狀態(tài)機處于WAIT_CYCLE狀態(tài),，且允許該設(shè)備占用總線的時間限制已到(Timeout)，這時仲裁器也將撤消對它的_GNT信號,，以便服務于其它的主設(shè)備,。所以，若用EnChange來代表允許仲裁器仲裁狀態(tài)發(fā)生變化的條件,，則采用AHDL語言的具體編程如下：
　　EnChange ＝ (EnCHstate ＝＝ FRAMED) # (EnCHstate ＝＝ NO_REQ) # (TimeOut[] ＝＝ TIME_OUT)
　　該仲裁器中,，由于采用循環(huán)優(yōu)先級算法，仲裁器從每一種仲裁狀態(tài)轉(zhuǎn)換到其它仲裁狀態(tài)的方法都是一樣的,，所以,，下面只給出了仲裁器的仲裁狀態(tài)為主控器1時向其它仲裁狀態(tài)的轉(zhuǎn)換機理(如圖3所示)。另外,，若仲裁器在剛啟動時處于無效狀態(tài),，則強制狀態(tài)機在下一個時鐘轉(zhuǎn)換到Master0態(tài)。