基于FPGA的PCI总线接口原理研究与设计

　　在现代数据采集及处理系统中，ISA、EISA、MCA等扩展总线已无法适应高速数据传输的要求，而PCI局部总线以其优异性价比和适应性成为大多数系统的主流总线。

　　PCI总线特点

　　PCI总线宽度32位，可升级到64位；最高工作频率33MHz，支持猝发工作方式，使传输速度更高；低随机访问延迟(对从总线上的主控寄存器到从属寄存器的写访问延迟为60ns)；处理器/内存子系统能力完全一致；隐含的中央仲裁器；多路复用体系结构减少了管脚数和PCI部件；给于ISA、EISA、MAC系统的PCI扩展板，减少了用户的开发成本；对PCI扩展卡及元件能够自动配置，实现设备的即插即用；处理器独立，不依赖任何CPU，支持多种处理器及将来更高性能的处理器；支持64位地址；多主控制允许任何PCI主设备和从设备之间进行点对点访问；PCI提供数据和地址的奇偶校验功能，保证了数据的完整性和准确性。

　　PCI接口开发现状

　　目前开发PCI接口大体有两种方式，一是使用专用的PCI接口芯片，可以实现完整的PCI主控模块和目标模块接口功能，将复杂的PCI总线接口转换为相对简单的用户接口。用户只要设计转换后的总线接口即可，缩短了开发周期，缺点是用户可能只用到部分PCI接口功能，这样造成了一定的逻辑资源浪费，也缺乏灵活性，很可能增加板上的组件，导致产品成本的增加和可靠性的降低。二是使用可编程器件，采用FPGA的优点在于其灵活的可编程性，首先PCI接口可以依据插卡功能进行最优化，而不必实现所有的PCI功能，这样可以节约系统的逻辑资源。而且，用户可以将PCI插卡上的其他用户逻辑与PCI接口逻辑集成在一个芯片上，实现紧凑的系统设计。当系统升级时，只需对可编程器件重新进行逻辑设计，而无需更新PCB版图。现在已经有越来越多的用户使用可编程器件如FPGA、CPLD等进行PCI设备的开发。

　　本文所论述的PCI接口控制器是作为一个转换接口工作于PCI总线与用户设备之间，也可以认为其主要功能是起一个桥梁作用，完成用户设备与PCI总线间的信息传送。

　　PCI接口设计

　　在PCI板卡的设计中，核心设计有时序控制和配置空间两部分。时序控制保证了板卡能按正常的PCI时序工作，配置空间部分保证了板卡的即插即用功能。在进行FPGA设计时本设计使用的软件是Altera的MAX+PLUSII，开发芯片是EPF10K20RC240-3。

　　● PCI接口配置空间的实现

　　PCI总线定义了3种物理地址空间，分别是存储器地址空间、I/O地址空间和配置地址空间。

　　配置空间是PCI所特有的一种空间，其目的在于提供一套适当的配置措施，使之满足现行的和可预见的系统配置机构。配置空间是一长度为256字节并且有特定记录结构的地址空间，可以在系统自举时访问，也可在其他时间访问。该空间分为首部区和设备有关区两部分，设备在每个区中只须实现必要的和与之相关的寄存器。配置空间的基地址寄存器提供了一种为设备指定存储空间或I/O空间的机制。操作系统在启动的时候要判断系统中有多少存储器、系统中的I/O设备需要多少地址空间，然后根据得到的结果，自动配置系统的存储空间和I/O空间，实现设备无关管理。在本设计中，那些只读的配置寄存器通过硬件连线到相应的值，因而不占用宏单元。通过配置寄存器，配置软件可了解目标设备的存在、功能及配置要求。

　　(1)厂商ID：此16位的只读寄存器定义了设备的生产厂商，可以使用MACH芯片最初的生产厂商－AMD公司的ID值1022。

　　(2)设备ID：该值由生产厂商分配以识别其产品，可为除00000000H和0FFFFFFFFH中的任意值。

　　(3)命令寄存器：此寄存器控制了设备响应PCI访问的能力。位1、6、8在本设计中被实现。本设计要求实现对存储空间的访问，位1设置为1，则设备响应PCI对存储器访问；位6控制了设备对奇偶校验错误的响应；当位8被设置为1时，设备能够驱动SERR线，0则禁止设备的SERR输出驱动器。在这里当系统复位后，位1、6、8被设置为0。

　　(4)状态寄存器：此寄存器记录了PCI相关事件的信息。在本系统中，位9、10、11、14、15被设计实现。位10∶9为设备选择(DEVSEL#)定时，00B为慢速，01B为中速，10B为快速，11B保留。本设计这两位被硬件连线为01B。当目标设备失败时，位11被设置为1，当发生系统错误时位14置1，发生奇偶校验错误时位15置1。

　　(5)基地址寄存器：该寄存器用来映射设备的存储器地址空间，与设备地址空间大小相应的低位被强制为0，因此在配置写交易中，配置软件通过对这个寄存器的所有位写1，然后再读出该寄存器的值来决定设备存储器所占用的地址范围。位0用来定义设备是存储器映射还是I/O映射，在本设计中，位0被设为低以表明目标设备为存储器映射的。

　　如需要256字节的存储空间，配置软件写入0FFFFFFFFH，本设备送出0FFFFFF00H，而配置软件再次写入基地址寄存器的值与本设备的0FFFFFF00H相与的结果就是基地址值，如配置软件再次写入0CD000000H则基地址值为0CD000000H。

　　(6)类代码寄存器：这个24位的只读寄存器用来说明设备的基本功能和它的可编程接口。这里，此寄存器被强制为018000H，即设备为大容量存储控制器。

　　(7)首部类型寄存器：这个只读寄存器的位0～6定义了首部格式，位7说明了设备为单功能还是多功能。首部类型1为PCI-PCI桥定义，首部类型2则用于PCI CardBus桥。在本设计中寄存器被强制为0来显示其为单功能设备且首部类型为0。