主要介紹作為從設(shè)備如何根據(jù)PCI總線協(xié)議設(shè)計PCI總線接口電路，從而實現(xiàn)基于PCI總線的GP-IB接口電路設(shè)計,，重點闡述PCI總線接口狀態(tài)機的設(shè)計,。

       前言

　　基于PCI總線的GP-IB接口電路框圖如圖1所示，工控機采用PCI-104堆棧結(jié)構(gòu),，通過PCI總線和EPLD相連,，數(shù)據(jù)總線為32bit，傳輸速率為33MHz,。EPLD完成PCI總線接口電路的設(shè)計和NAT9914接口芯片的控制,，通過驅(qū)動芯片75160和75162完成GP-IB的接口通信。在此重點介紹EPLD內(nèi)部電路設(shè)計,。

圖1  GP-IB接口電路結(jié)構(gòu)框圖

        EPLD內(nèi)部電路設(shè)計

　　PCI局部總線很復(fù)雜,，PCI局部總線也在不斷的發(fā)展中,，現(xiàn)在已經(jīng)衍生有CPCI,、PCI EXPRESS等總線標(biāo)準(zhǔn)。PCI局部總線定義的功能很強大,，當(dāng)然如果需要將所有的PCI局部總線的要求都能實現(xiàn),，購買PCI局部總線的專用集成電路或IP核是最佳選擇，因為PCI局部總線的硬件設(shè)計過于龐大，全部實現(xiàn)有一定的難度,。如果設(shè)備只是作為從設(shè)備,，根據(jù)設(shè)計要求實現(xiàn)起來也不是很復(fù)雜，很多功能如仲裁,、邊界掃描及錯誤報告等功能就可以不用實現(xiàn),，甚至像奇偶校驗、重試,、突發(fā)傳輸?shù)裙δ芤部梢圆挥脤崿F(xiàn),。

　　根據(jù)GP-IB接口卡的功能，本文主要介紹在EPLD中實現(xiàn)PCI總線接口電路的設(shè)計,，并且能夠正確操作GP-IB總線協(xié)議的控制芯片NAT9914,。EPLD的容量較小，我們采用XILINX公司的XC95288XL器件,，只有288個宏單元,，經(jīng)過設(shè)計優(yōu)化，最終成功裝載,。其實現(xiàn)原理框圖如圖2所示,。

圖2  EPLD內(nèi)部電路框圖

　　PCI接口信號設(shè)計

　　設(shè)計PCI接口信號很關(guān)鍵，PCI總線規(guī)范定義的信號很多,，在設(shè)計過程中必須有所取舍,。下面按照PCI總線規(guī)范的要求，根據(jù)設(shè)計電路的實際需求,，設(shè)計如下接口信號：

　　Rst : 上電復(fù)位信號,，低電平有效。
　　Clk : 時鐘信號33MHz,。
　　Cbe[3..0] : 命令,、字節(jié)使能信號。
　　Ad[31..0] : 地址,、數(shù)據(jù)多路復(fù)用的三態(tài)輸入/輸出信號,。
　　Frame : 幀周期信號，由主設(shè)備驅(qū)動,，表示當(dāng)前主設(shè)備一次交易的開始和持續(xù)時間,。
　　Irdy : 主設(shè)備準(zhǔn)備好信號。
　　Trdy : 從設(shè)備數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好信號,。
　　Devsel : 從設(shè)備被選中響應(yīng)信號,。
　　Inta ：從設(shè)備中斷請求，低有效,。

　　在設(shè)計時舍棄的信號有：Par,、Stop,、Perr、Serr,、Req,、Gnt。 

　　GP-IB接口芯片控制信號設(shè)計

　　根據(jù)電路要求,，設(shè)計如下接口信號,，用來完成對NAT9914和驅(qū)動芯片的控制，實現(xiàn)PCI到GP-IB接口的轉(zhuǎn)換,。

　　Target_clk: GP-IB接口控制芯片時鐘,，本方案設(shè)計為33MHz時鐘的8分頻。
　　Target_rst：復(fù)位脈沖信號,，低電平復(fù)位,。
　　Target_ce: 讀寫使能，高電平為讀,，低電平為寫,。
　　Target_sc：標(biāo)識GP-IB接口卡作為控者，還是作為普通器件,。
　　Target_we：寫使能控制,，低電平有效。
　　Target_int_l：控制芯片中斷輸出,，低電平有效,。
　　Target_abus：有效地址輸出。
　　Target_dbus：三態(tài)數(shù)據(jù)輸入/輸出總線,。
　　
　　電路優(yōu)化設(shè)計

　　圖2給出了PCI總線接口電路的原理框圖,，由于EPLD容量較小，在設(shè)計時必須盡量減少不必要的電路設(shè)計,，并對電路設(shè)計進行優(yōu)化,，下面給出各電路模塊的功能設(shè)計：

　　譯碼電路

       PCI總線命令編碼方式有12種，在本設(shè)計中我們只實現(xiàn)配置讀,、配置寫,、存儲器讀和存儲器寫四種編碼交易類型。譯碼功能電路工作在地址周期,，包括命令譯碼,、地址譯碼和命令/地址鎖存等三項功能。在Frame變低的第一個時鐘周期內(nèi),，譯碼電路對來自主設(shè)備的命令Cbe[3..0]進行譯碼,，并向狀態(tài)機控制模塊發(fā)出是配置讀寫還是存儲器讀寫命令，同時鎖存地址,。

　　配置寄存器

　　在PCI規(guī)范中,，配置空間是一個容量為256字節(jié)并具有特定記錄結(jié)構(gòu)或模型的地址空間，該空間又分為頭標(biāo)區(qū)和設(shè)備有關(guān)區(qū)兩部分,。在配置寄存器中不用的寄存器當(dāng)CPU讀的時候,將默認(rèn)為零,。

 　　重試

　　GP-IB控制芯片寄存器響應(yīng)完全能夠滿足PCI規(guī)范的要求，不需要進行重試,，這部分功能不再實現(xiàn),。

　　奇偶校驗

　　在BIOS中可以對奇偶校驗進行屏蔽和開放，為了減少設(shè)計的復(fù)雜性,，奇偶校驗功能在EPLD中沒有實現(xiàn),，在BIOS中進行了屏蔽。

　　NAT9914接口控制電路

　　NAT9914接口控制電路主要完成內(nèi)部總線到外設(shè)的時序控制,。GP-IB總線接口采用的是負(fù)邏輯電平設(shè)計,，考慮到EPLD的容量有限，在設(shè)計時數(shù)據(jù)傳輸不支持DMA模式,，只支持單周期CPU讀寫,。由于CPU讀數(shù)據(jù)時延遲較大，在對PCI狀態(tài)機設(shè)計時必須進行讀延遲等待,。
　　
        狀態(tài)機的設(shè)計與實現(xiàn)

　　狀態(tài)機的設(shè)計是整個設(shè)計中的核心部分,，它主要用來控制從設(shè)備和PCI總線的時序。在本設(shè)計方案中,，配置過程的完成和存儲器的讀寫都是由狀態(tài)機來完成的,。由于EPLD的容量有限，GP-IB接口芯片的讀寫速度比較慢,，在設(shè)計狀態(tài)機時,，不支持CPU的猝發(fā)操作。表1給出了狀態(tài)機的狀態(tài)名,、狀態(tài)變量和說明,，圖3給出了狀態(tài)機的流程圖。

圖3  狀態(tài)機設(shè)計流程圖

　　下面根據(jù)狀態(tài)機的流程圖給出讀,、寫操作時序分析與設(shè)計要點：

　　PCI規(guī)范中定義了三種讀寫操作,，即Memory和I/O讀寫及配置讀寫。本方案不支持I/O讀寫,只支持Memory和配置的讀寫,，下面給出Memory映射方式的單周期仿真讀寫時序,。
　　
　　存儲器寫操作

　　存儲器單周期寫操作時序如圖4所示，當(dāng)frame為低電平時啟動讀寫操作,，同時給出要寫的目標(biāo)地址ad[31..0]和命令cbe[3..0]＝7,，cbe等于7表示寫寄存器，從設(shè)備鎖存命令和地址到緩沖區(qū),。在第2個clk,，主設(shè)備將irdy變低,，同時給出數(shù)據(jù)，狀態(tài)機運行到6,，鎖存數(shù)據(jù)給緩沖區(qū),，trdy、devsel由高阻變?yōu)楦唠娖?。在?個clk,，devsel變低，給出主設(shè)備應(yīng)答信號,，表示從設(shè)備已經(jīng)響應(yīng)請求,，狀態(tài)機運行到7。根據(jù)寫操作,，target_we,、target_ce變低，并對地址進行譯碼,，放在地址總線上,，同時驅(qū)動數(shù)據(jù)總線，表示在對控制芯片進行寫操作,。在第4個clk,，檢測到目標(biāo)設(shè)備的target_ready_l為低電平，表示從設(shè)備已經(jīng)做好接受數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備,，狀態(tài)機運行到8,，將trdy變低。在第5個clk,，狀態(tài)機運行到9,，trdy變高，同時主設(shè)備將驅(qū)動irdy變高,，表示一個寫周期結(jié)束,。狀態(tài)機運行到初始狀態(tài)，等待下一次操作,。target_ce,、target_we將延遲變高，結(jié)束控制芯片寫周期,。

圖4  存儲器寫周期時序

         存儲器讀操作

　　存儲器單周期讀操作時序如圖5所示,，當(dāng)frame為低電平時啟動讀寫操作，同時給出要寫的目標(biāo)地址ad[31..0]和命令cbe[3..0]＝6,，從設(shè)備鎖存該命令和地址,。在第2個clk，狀態(tài)機運行到6，進入讀寫等待狀態(tài),，主設(shè)備將frame變高,，表示單周期模式，trdy,、devsel,、由高阻變?yōu)楦唠娖健Ｔ诘?個clk,狀態(tài)機運行到7,，并給出應(yīng)答信號devsel,，檢測到target_ready_l為高電平,，狀態(tài)機進入等待狀態(tài),，直到為低電平，然后運行到讀等待狀態(tài)4,。在狀態(tài)機8,，trdy變低，從設(shè)備將讀數(shù)據(jù)放在ad[31..0]總線上,。在狀態(tài)機9,，trdy變高，devsel變高,，同時主設(shè)備將irdy變高,，結(jié)束單周期讀操作。devsel,、trdy回到高阻狀態(tài),，狀態(tài)機運行到初始狀態(tài)，準(zhǔn)備下次操作,。

圖5  存儲器讀周期時序

　　結(jié)語

　　本設(shè)計占用芯片的資源少,，可移植性強，根據(jù)設(shè)備不同的需求可以進行設(shè)計更改,，在很多測試儀器中都得到了廣泛的應(yīng)用,。

        參考文獻(xiàn)：

　　1．李貴山、陳金鵬,，PCI局部總線及其應(yīng)用,，西安電子科技大學(xué)出版社，2003
　　2. 候伯亨,、顧新,，VHDL硬件描述語言與電路設(shè)計，西安電子科技大學(xué)出版社,，1997