基于IP核的PCI总线接口设计与实现

pci总线是高性能的32/64位同步总线，具有严格的规范保证数据传输的可靠性，微处理器与高集成度的外围设备提供高速安全的接口，是迄今为止最成功的总线规范之一。

由于pci总线协议非常复杂，目前实现pci总线接口主要是使用两种方式：（1）采用专用接口芯片，如amcc公司的s5933和plx公司的9054、9080。使用接口芯片开发人员可以不考虑pci接口的实现问题，但是在实际应用中通常只用到接口芯片的部分功能，造成了资源的浪费，同时接口芯片占用了板卡上的有限空间，给应用设计带来不便。（2）使用可编程逻辑器件实现pci总线控制器，使用这种方式开发难度大，消耗周期长，系统验证困难，且不具备通用性。 随着ic产业的迅速发展，传统的、基于标准单元的数字ic设计方法已经发展到基于ip（知识产权）复用的soc设计方法，根据实现的硬件描述级的不同，ip核分为软核、硬核和固核。其中，软核是采用可综合的hdl实现的rtl级设计，与具体实现工艺无关，相比于固核和硬核具有较大的灵活性，在fpga中定制pci接口软核实现pci接口控制具有明显的优势：可以在单片fpga中同时完成pci接口和用户逻辑的设计，缩减成本，提高集成度，减少资源浪费，实现32/64位的pci、pci－x及兼容compact pci的pci主设备/目标设备接口，消除pci接口芯片与本地通信的信号线的硬线连接，提高用户逻辑设计的弹性，降低因硬件设计不当造成的损失；统一设计工具和平台，缩短开发周期。

本文应用pci接口控制ip实现了pci多卡测控系统中pci总线到本地总线的转换，实际应用表明，采用此设计方案的pci卡运行稳定可靠。

1 应用背景

本文的应用背景为某一工业测控系统，该系统采用fpga实现测量数据的采集和控制信号的输出，通过定制pci接口ip实现一个32位目标设备的pci总线接口转换。pci核选用altera pci编译器所包括的pei_t32兆核函数，fpga选用altera公司的cyclone系列芯片eplc6q240c8，以配合32位/33mhz的pci接口的i/o标准和速度要求，在硬件设计上，为保证3.3v fpga对pci 2.2、5v总线的兼容性要求，在pci总线接口与fpga引脚间加入总线开关进行电平转换。由于系统应用在工业生产控制场合，因此fpga与外部数据的i/o接口间需要加入光电隔离器件以增量系统的抗干扰能力，系统结构如图1所示。

2 pci接口兆核函数

altera的pci编译器（pci compiler）提供了使用altera器件实现pci接口设计的完全解决方案，包括4个32/64位、主/从模式pci接口控制器兆核函数（即接口ip）及相关测试平台，通过选择合适的芯片速度，可以满足运行在33mhz或66mhz pci时钟下的时序要求，支持altera的stratix ii、stratix、stratix gx、cyclone、cyclone ii和max ii系列器件，支持pci配置空间读写、内存方式读写和i/o方式读写，支持预先读取模式，支持可参数化的配置寄存器，包括参数化的设备信息、6个可变长度的基址空间和一个扩展rom空间，具有奇偶校验检错，支持pci终止、重试和断开作业及中断操作，并提供灵活的本地端接口，pci_t32兆核函数的32位目标设备控制器，其结构和总线接口信号如图2所示。

在pci总线端，ip核提供32位数据线和目标设备控制信号、中断请求信号及错误报告信号，本地总线端提供32位数据线和地址线、控制信号、中断输入信号和状态表示信号接口。其中，本地端信号l_adi为地址/数据输入，l_adro为地址输出，l_dato为数据输出，l_beno为字节使能输出，l_cmdo为本地命令输出。控制信号lt_abortn、lt_discn和lt_rdyn为本地端输入，分别标志本地设备终止、断开和准确好、lt_framen、lt_ackn和lt_dxfrn为目标传输控制信号，相当于pci总线的frame＃、devsel＃和trdy＃。lt_tsr为目标作业状态寄存器输出。lirqn为中断输入信号。

可以通过pci编译器ip工具台或编辑兆核函数头文件的方式修改pci配置空间信息，本系统gci兆核函数的配置信息如下：

3 本地总线读写状态机
在用户逻辑中，通过总线读写状态机实现内存方式单周期或迸发读写、i/o单周期或迸发读写以及在设备不能完成作业时发起（目标）或响应（主）终止、断开或重试等作业，保证pci作业正确结束，以带迸发模式的内存读写作业为例，作为目标设备的本地总线读写状态转移图如图3所示。

idle为设备空闲状态。

add_latch为地址锁定状态。lt_framen有效表示ip核接到一次pci读写作业并启动本地端做出响应，此时目标设备锁存地址l_adro及命令l_cmdo，并对命令做出解释。l_cmdo的值为6，则进入memory_read状态；为7，则进入ip_ready状态；其他值，则使能lt_discn并进入retry状态。

mem_read为内存读作业状态，lt_ackn有效驱动目标设备将数据放到总线上，如为迸发方式，则lt_rdyn和lt_dxfrn持续有效，驱使目标设备连续将地址相连的数据输出，如目标设备在迸发作业中需延缓迸发作业，则可使lt_rdyn无效来进入等待周期，此时状态机回到add_latch状态，直到目标设备再次准备好，并同时使lt_rdyn有效并输出数据。

retry为设备重试状态，在作业开始，目标设备尚未准备好发送或接收数据，则发起一次重试作业，即在lt_framen有效后使lt_discn有效并等待主设备结束作业。

discn为设备断开状态，在迸发读写左右中，目标设备检测到地址超出有效范围，则发起目标断开作业，在迸发写作业中断，在最后一次有效写数据前一时钟使lt_discn有效，在迸发读作业中，将最后一个数据放在总线上的同时使lt_discn有效。

ip_ready为内存写操作ip核准备传输数据状态。

mem_write为内存写作业状态，在同时使能lt_rdyn后等待lt_ackn和lt_dxfrn有效时读取总线上的数据l_dato，迸发写或加入等待周期的时序与读作业类似。

stat_chech为状态检测；lt_ackn和lt_dxfrn同时无效标志着内存单次/迸发读作业完成，然后检测作业状态寄存器lt_tsr并返回idle状态。

每一次作业开始，都启动计数器，防止操作超时。

使用signaltap ii嵌入式逻辑分析仪实际捕获的pci内存读写作业的pci和本地总线信号时序图如图4所示，采样时钟为pci总线时钟。

4 pci电气特性要求设计
由于目前绝大多数主板采用5v的pci规范，而altera的cyclone系列fpga的i/o口电压只支持3.3v，因此需要在fpga和pci连接器间加入电平转换电路。
实现电平转换的原理是在总线间加入nmos总线开关，实现方式如图5所示。

其中总线开关选用idt公司的qs3861，首先，考虑电平转换的实现方法，当总线选通信号be＃使能，总线a的输入电压上升，总线b的电压随之上升，当总线a的电压超过vcc－vt（vt的典型值为1v）时，总线b的电压将被箝位到vcc－vt，而不会继续上升，因此选择vcc位4.3v，则能保证总线b的信号满足3.3v标准。当3.3v总线b驱动总线a时，由于5v pci规范中定义的逻辑高电压是2v－5.5v，因此也能够保证fpga端驱动pci的高电压要求。 其次，验证是否满足pci时序要求，pci2.2协议规定一个时钟周期分为4部分：

t（30ns）＝tval＋tprop＋tsu＋tskew

其中：tval为时钟到输出信号有效延迟，tsu为输入建立时间，tpro为最大总线传输时间，tskew为时钟抖动时间。pci 2.2协议规定的保持时间为0。
tprop是由于pci总线采用反射波技术引入的，典型值为10ns，tprop与tskew的和不超过12ns。pci 2.2规范规定33mhz信号的建立时间为7ns，66mhz信号的建立时间为3ns，由qs3861引入的数据传输延迟为0.25ns。但由于所有pci信号都经过总线开关进行电平转换，到达fpga的信号整体只有0.25ns的延迟，因此fpga的建立时间仍然设置为7ns，fpga经过运算输出的信号时序由时钟到信号有效延迟tval所限定。pci 2.2规范规定33mhz时tval最大为11ns，最小为2ns，由于电平转换芯片在双向数据通路的延迟累加，fpga必须包括时钟到信号最大延迟在10.5ns以内。

最后，考虑布局布线因素，在加入总线开关后，要保证从pci连接器到总线开关及总线开关到fpga的所有32位信号线（除中断输入信号、系统信号和jtag信号）的走线长度和不大于1.5英寸、时钟线长度和为2.5±0.1英寸。

fpga中定制ip核实现pci总线到本地总线的转换，能够有效节约pci设备的成本，提高硬件资源利用率，缩短开发时间，目标设备读写状态机对本地总线进行监测，完成设备的内存、i/o读写并提供迸发作业支持，在发生异常状况时，及时发起重试，断开或终止作业，保证pci总线传输正确结束，防止不安全的数据操作出现，为了满足pci电气规范，在硬件设计时需要注意3.3v设备挂接5v总线的电平转换及其带来的时序和布线问题。