摘 要： 一種在計算機工業測控系統中應用FPGA和軟IP核" title="IP核">IP核實現PCI總線" title="PCI總線">PCI總線接口的方法。重點介紹了本地總線讀寫狀態機的設計，3.3V FPGA兼容PCI2.2、5V規范的電氣設計及其時序和布線問題，并給出了使用嵌入式邏輯分析儀實際捕獲的信號時序。實驗證明，該結構的PCI接口測控系統工作穩定可靠。
關鍵詞： 現場可編程門陣列 IP核 PCI總線
PCI總線是高性能的32/64位同步總線，具有嚴格的規范保證數據傳輸的可靠性，為處理器與高集成度的外圍設備提供高速安全的接口，是迄今為止最成功的總線規范之一。
由于PCI總線協議非常復雜，目前實現PCI總線接口主要使用兩種方式：(1)采用專用接口芯片，如AMCC公司的S5933和PLX公司的9054、9080。使用接口芯片開發人員可以不考慮PCI接口的實現問題，但是在實際應用中通常只用到接口芯片的部分功能，造成了資源的浪費。同時接口芯片占用了板卡上的有限空間，給應用設計帶來不便。(2)使用可編程邏輯器件實現PCI總線控制器。使用這種方式開發難度大，消耗周期長，系統驗證困難，且不具備通用性。
隨著IC產業的迅速發展，傳統的、基于標準單元的數字IC設計方法已經發展到基于IP(知識產權)復用的SoC設計方法。根據實現的硬件描述級的不同，IP核分為軟核、硬核和固核。其中軟核是采用可綜合的HDL實現的RTL級設計，與具體實現工藝無關，相比于固核和硬核具有較大的靈活性。在FPGA中定制PCI接口軟核實現PCI接口控制具有明顯的優勢：可以在單片FPGA中同時完成PCI接口和用戶邏輯的設計，縮減成本，提高集成度，減少資源浪費；實現32/64位的PCI、PCI-X及兼容Compact PCI的PCI主設備/目標設備接口；消除PCI接口芯片與本地通信的信號線的硬線連接，提高用戶邏輯設計的彈性，降低因硬件設計不當造成的損失；統一設計工具和平臺，縮短開發周期。
本文應用PCI接口控制IP實現了PCI多卡測控系統中PCI總線到本地總線的轉換。實際應用表明，采用此設計方案的PCI卡運行穩定可靠。
1 應用背景
本文的應用背景為某一工業測控系統。該系統采用FPGA實現測量數據的采集和控制信號的輸出，通過定制PCI接口IP實現一個32位目標設備的PCI總線接口轉換。PCI核選用Altera PCI編譯器所包括的pci_t32兆核函數。FPGA選用Altera公司的Cyclone系列芯片ep1c6q240c8，以配合32位/33MHz的PCI接口的I/O標準和速度要求。在硬件設計上，為保證3.3V FPGA對PCI 2.2、5V總線的兼容性要求，在PCI總線接口與FPGA引腳間加入總線開關進行電平轉換。由于系統應用在工業生產控制場合，因此FPGA與外部數據的I/O接口間需加入光電隔離器件以增強系統的抗干擾能力。系統結構如圖1所示。
2 PCI接口兆核函數
Altera的PCI編譯器(PCI Compiler)提供了使用Altera器件實現PCI接口設計的完全解決方案，包括4個32/64位、主/從模式PCI接口控制器兆核函數(即接口IP)及相關測試平臺。通過選擇合適的芯片速度，可以滿足運行在33MHz或66MHz PCI時鐘下的時序要求。支持Altera的Stratix Ⅱ、Stratix、Stratix GX、Cyclone、Cyclone Ⅱ和MAX Ⅱ系列器件；支持PCI配置空間讀寫、內存方式讀寫和I/O方式讀寫；支持預先讀取模式；支持可參數化的配置寄存器，包括參數化的設備信息、6個可變長度的基址空間和一個擴展ROM空間；具有奇偶校驗檢錯；支持PCI終止、重試和斷開作業及中斷操作，并提供靈活的本地端接口。pci_t32兆核函數是32位目標設備控制器，其結構和總線接口信號如圖2所示。
在PCI總線端，IP核提供32位數據線和目標設備控制信號、中斷請求信號及錯誤報告信號；本地總線端提供32位數據線和地址線、控制信號、中斷輸入信號和狀態表示信號接口。其中，本地端信號l_adi為地址/數據輸入，l_adro為地址輸出，l_dato為數據輸出，l_beno為字節使能輸出，l_cmdo為本地命令輸出。控制信號lt_abortn、lt_discn和lt_rdyn為本地端輸入，分別標志本地設備終止、斷開和準備好，lt_framen、lt_ackn和lt_dxfrn為目標傳輸控制信號，相當于PCI總線的frame#、devsel#和trdy#。lt_tsr為目標作業狀態寄存器輸出。lirqn為中斷輸入信號。
可以通過PCI編譯器IP工具臺或編輯兆核函數頭文件的方式修改PCI配置空間信息。本系統PCI兆核函數的配置信息如下：
CLASS_CODE=24′hFF0000
DEVICE_ID=16′h1100
VENDOR_ID=16′h1172，為Altera的廠商編號
REVISION_ID=8′h01
BAR0=32′hFFFFFC00，BAR0空間為1KB，使用內存方式讀寫
NUMBER_OF_BARS=32′h00000001
INTERRUPT_PIN_REG=8′h00，未使用中斷
3 本地總線讀寫狀態機
在用戶邏輯中，通過總線讀寫狀態機實現內存方式單周期或迸發讀寫、I/O單周期或迸發讀寫以及在設備不能完成作業時發起(目標)或響應(主)終止、斷開或重試等作業，保證PCI作業正確結束。以帶迸發模式的內存讀寫作業為例，作為目標設備的本地總線讀寫狀態轉移圖如圖3所示。
IDLE為設備空閑狀態。
ADD_LATCH為地址鎖定狀態。lt_framen有效表示IP核接到一次PCI讀寫作業并啟動本地端做出響應，此時目標設備鎖存地址l_adro及命令l_cmdo，并對命令做出解釋。l_cmdo的值為6，則進入MEMORY_READ狀態；為7，則進入IP_READY狀態；其他值，則使能lt_discn并進入RETRY狀態。
MEM_READ為內存讀作業狀態，lt_ackn有效驅使目標設備將數據放到總線上；如為迸發方式，則lt_rdyn和lt_dxfrn持續有效，驅使目標設備連續將地址相連的數據輸出。如目標設備在迸發作業中需延緩迸發作業，則可使lt_rdyn無效來加入等待周期，此時狀態機回到ADD_LATCH狀態，直到目標設備再次準備好，并同時使lt_rdyn有效并輸出數據。
RETRY為設備重試狀態。在作業開始，目標設備尚未準備好發送或接收數據，則發起一次重試作業，即在lt_framen有效后使lt_discn有效并等待主設備結束作業。
DISCN為設備斷開狀態。在迸發讀寫作業中，目標設備檢測到地址超出有效范圍，則發起目標斷開作業；在迸發寫作業中斷開，在最后一次有效寫數據前一時鐘使lt_discn有效。在迸發讀作業中，將最后一個數據放在總線上的同時使lt_discn有效。
IP_READY為內存寫操作IP核準備傳輸數據狀態。
MEM_WRITE為內存寫作業狀態。在同時使能lt_rdyn后等待lt_ackn和lt_dxfrn有效時讀取總線上的數據l_dato，迸發寫或加入等待周期的時序與讀作業類似。
STAT_CHECK為狀態檢測。lt_ackn和lt_dxfrn同時無效標志著內存單次/迸發讀作業完成，然后檢測作業狀態寄存器lt_tsr并返回IDLE狀態。
在每一次作業開始，都啟動計數器，防止操作超時。
使用SignalTap II嵌入式邏輯分析儀實際捕獲的PCI內存讀寫作業的PCI和本地總線信號時序圖如圖4所示，采樣時鐘為PCI總線時鐘。
4 PCI電氣特性要求設計
由于目前絕大多數主板采用5V的PCI規范，而Altera的Cyclone系列FPGA的I/O口電壓只支持3.3V，因此需要在FPGA和PCI連接器間加入電平轉換電路。
實現電平轉換的原理是在總線間加入NMOS總線開關，實現方式如圖5所示。
其中總線開關選用IDT公司的QS3861。首先，考慮電平轉換的實現方法。當總線選通信號BE#使能，總線A的輸入電壓上升，總線B的電壓隨之上升。當總線A的電壓超過vcc-Vt(Vt的典型值為1V)時，總線B的電壓將被箝位到vcc-Vt，而不會繼續上升。因此選擇vcc為4.3V，則能保證總線B的信號滿足3.3V標準。當3.3V總線B驅動總線A時，由于5V PCI規范中定義的邏輯高電壓是2V～5.5V，因此也能夠保證FPGA端驅動PCI的高電壓要求。
其次，驗證是否滿足PCI時序要求。PCI2.2協議規定一個時鐘周期分為4部分：
t(30ns)=tval+tprop+tsu+tskew
其中：tval為時鐘到輸出信號有效延遲，tsu為輸入建立時間，tpro為最大總線傳輸時間，tskew為時鐘抖動時間。PCI 2.2協議規定的保持時間為0。tprop是由于PCI總線采用反射波技術引入的，典型值為10ns，tprop與tskew的和不超過12ns。PCI 2.2規范規定33MHz信號的建立時間為7ns，66MHz信號的建立時間為3ns。由QS3861引入的數據傳輸延遲為0.25ns。但由于所有PCI信號都經過總線開關進行電平轉換，到達FPGA的信號整體只有0.25ns的延遲，因此FPGA的建立時間仍然設置為7ns。FPGA經過運算輸出的信號時序由時鐘到信號有效延遲tval所限定。PCI 2.2規范規定33MHz時tval最大為11ns，最小為2ns。由于電平轉換芯片在雙向數據通路的延遲累加，FPGA必須保證時鐘到信號最大延遲在10.5ns以內。
最后，考慮布局布線因素。在加入總線開關后，要保證從PCI連接器到總線開關及總線開關到FPGA的所有32位信號線(除中斷輸入信號、系統信號和JTAG信號)的走線長度和不大于1.5英寸，時鐘線長度和為2.5±0.1英寸。
在FPGA中定制IP核實現PCI總線到本地總線的轉換，能夠有效節約PCI設備的成本，提高硬件資源利用率，縮短開發時間。目標設備讀寫狀態機對本地總線進行監測，完成設備的內存、I/O讀寫并提供迸發作業支持，在發生異常狀況時，及時發起重試、斷開或終止作業，保證PCI總線傳輸正確結束，防止不安全的數據操作出現。為了滿足PCI電氣規范，在硬件設計時需要注意3.3V設備掛接5V總線的電平轉換及其帶來的時序和布線問題。
參考文獻
1 任愛鋒.基于FPGA的嵌入式系統設計.西安：西安電子科技大學出版社，2004
2 PCI Compiler User Guide(Version 3.2.0).Altera Corporation，2004
3 Connecting Altera 3.3-V PCI devices to a 5-V PCI Bus (Version 1.0).Altera Corporation，2004
4 PCI Local Bus Specification(Revision 2.2).PCI SIG，1998