PCI(Peripheral Component Interconnect)總線是現(xiàn)今最為流行的工業(yè)控制總線之一。它廣泛地應用在計算機中，并且由于眾多廠商對PCI的良好支持，使得目前嵌入式設備中的很多解決方案都包含了PCI總線。在多主設備的PCI系統(tǒng)應用中，必須為各個主設備提供仲裁授權信號。很多廠家有針對性地發(fā)布了PCI仲裁邏輯的專用芯片" title="專用芯片">專用芯片或者集成了PCI仲裁邏輯的專用芯片，但使用不夠靈活。為了使PCI設備能夠更方便地應用在嵌入式系統(tǒng)中，本文介紹了一種基于CPLD(復雜可編程邏輯器件)的PCI總線仲裁器的設計方法。此方法可以為系統(tǒng)量身定制適合于系統(tǒng)本身的PCI總線仲裁器，而不必局限于特定芯片的要求，在體積、功能、成本等諸多方面都有很好的應用前景。
1 PCI總線仲裁簡介
1.1 PCI總線的仲裁原理
　　PCI總線是一種共享式的總線，可以連接多個主設備，但由于數(shù)據(jù)傳輸?shù)莫氄夹裕恳粫r刻只能由一個主設備占用總線。因此，為了有效地利用PCI總線帶寬，必須設置一個總線仲裁器，按照一定的算法協(xié)調(diào)系統(tǒng)中各個主設備的操作。
　　每個具備主設備功能的PCI設備必須提供兩個與仲裁有關的信號：REQ#和GNT#。其中REQ#為請求總線信號，由需要發(fā)起PCI傳輸事務的設備發(fā)出；GNT#為總線授權信號，由PCI總線仲裁器裁決后給出。接到GNT#信號的PCI設備將在下一次總線空閑后開始操作。
　　PCI總線仲裁的裁決過程可以在PCI傳輸期間完成，并不占用PCI總線的帶寬，這稱為隱式仲裁。即需要發(fā)起PCI操作的設備可以隨時發(fā)出請求REQ#，PCI仲裁器立即批準該請求并給出GNT#。但是真正的傳輸操作一定要等到當前傳輸完成，即總線空閑后才可以開始。圖1描述了PCI總線設備與仲裁器的關系。

1.2 PCI總線仲裁規(guī)則約定
　　(1)仲裁器的仲裁算法必須保證所有的設備都能得到授權的機會，否則將會出現(xiàn)某個優(yōu)先級低的設備永遠不能占有總線進行事務操作的情況。
　　(2)如果FRAME無效，GNT可以在任意時間撤消，以便服務于另一個主設備或者作為對主設備撤銷REQ的響應。
　　(3)如果GNT信號被撤消但FRAME有信號，當前的總線正在傳輸數(shù)據(jù)，則操作合法。
　　(4)如果總線不處于空閑狀態(tài)，則允許一個GNT的撤消和另一個GNT的發(fā)生在同一個周期。如果處在空閑狀態(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" title="時鐘周期">時鐘周期間隔，否則可能會在AD線和PAR線上出現(xiàn)沖突。
　　(5)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(一個FRAME發(fā)出到撤銷)。如果該主控器需要多次總線訪問，它可以保持REQ信號一直有效。仲裁器會按照特定的仲裁算法來決定是否仍判給該主設備。
　　(6)一個主控器可以在任意時刻撤消其REQ信號。REQ信號一旦撤消，仲裁器將認為該設備不再請求使用總線，因而撤消其GNT信號(參考上文(1))。如果一個主控器只希望做一次總線傳輸，則它應當在發(fā)出FRAME的同一時鐘周期撤消REQ。
　　(7)如果當前的主控器在它的GNT信號發(fā)出后，持續(xù)16個空閑周期還沒有開始總線操作，則仲裁器視其為超時，仲裁器可以在任意時刻撤消GNT信號，以便服務于另一個設備。
1.3 PCI總線仲裁的算法
　　目前，應用于PCI總線總裁的算法主要有固定優(yōu)先級算法和動態(tài)優(yōu)先級算法兩種。在固定優(yōu)先級算法中，各個設備的優(yōu)先級是事先確定好的，仲裁器針對事先設定好的優(yōu)先級為每個設備分配使用權。這種算法的缺點是：一旦PCI總線事務非常繁忙，優(yōu)先級高的設備會占有總線不放，將導致優(yōu)先級低的設備無法申請到總線。可見這是一種并不公平的算法，只適用于總線利用率非常低的情況。動態(tài)優(yōu)先級算法是在每次仲裁授權后動態(tài)改變各個設備的優(yōu)先級。在保證每個設備都有機會獲得總線的情況下，優(yōu)先級改變的算法可以是各種各樣的。最常用的是循環(huán)優(yōu)先級算法，即每次仲裁授權后將排隊中的設備優(yōu)先級加1。因其算法簡單，且對大部分應用都十分有效，本設計采用循環(huán)優(yōu)先級算法。
1.4 總線停靠
　　當PCI總線空閑時，一個設備從申請總線到被授權使用，最少也需要2個時鐘周期，這對于PCI總線是一種浪費。因此仲裁器通常選中一個最經(jīng)常占用總線的設備，在PCI總線空閑時將GNT#賦予它，這叫做總線停靠。當總線空閑時，該設備需要占用總線時可馬上得到批準。
2 雙主設備PCI總線仲裁器的實現(xiàn)
　　下面描述了一個具有兩個設備的總線仲裁器的硬件實現(xiàn)，其一為TriMedia嵌入式DSPCPU PNX1300，其二為Intel i82559 網(wǎng)絡控制器" title="網(wǎng)絡控制器">網(wǎng)絡控制器。系統(tǒng)結構如圖2所示。

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　　該仲裁器的接口信號如表1所示。
　　為設計方便起見，在程序中設計三類狀態(tài)機：總線狀態(tài)狀態(tài)機、總線主設備查詢狀態(tài)機、仲裁狀態(tài)機。
2.1 總線狀態(tài)狀態(tài)機
　　總線狀態(tài)狀態(tài)機用于記錄總線事務的狀態(tài)，定義如下：
　　type bus_state is(IDLE，BUSY，LAST_DATA，F(xiàn)INISH)
　　四種狀態(tài)分別表示總線空閑、忙、最后一個數(shù)據(jù)傳輸期以及傳輸完成。狀態(tài)圖如圖3。

　　下面是以VHDL代碼形式實現(xiàn)的該狀態(tài)機的狀態(tài)轉(zhuǎn)換關系。
case bus_cur_state is
　　when IDLE =>
　　　　if Frame_n=′0′ then --frame被拉低，表示一個傳輸事務開始
　　　　　　bus_next_state<=BUSY；
　　　　else
　　　　　　bus_next_state<=IDLE；--總線空閑
　　　　end if；
　　when BUSY=>
　　　　if Frame_n=′1′ then --frame為高，等待傳輸最后一個數(shù)據(jù)
　　　　　　if Irdy_n=′0′ then --主設備準備好，正在傳輸最后一個數(shù)據(jù)
　　　　　　　　bus_next_state<=FINISH；
　　　　　　else
　　　　　　　　bus_next_state<=LAST_DATA；--等待最后一個數(shù)據(jù)完成
　　　　　　end if；
　　　　else
　　　　　　bus_next_state<=BUSY；--等待frame被拉高
　　　　end if；
　　when LAST_DATA=>
　　　　if Irdy_n=′0′ then--主設備準備好
　　　　　　bus_next_state<=FINISH；
　　　　else
　　　　　　bus_next_state<=LAST_DATA；--等待最后一個數(shù)據(jù)傳輸完成
　　　　end if；
　　when FINISH=>
　　　　if Irdy_n=′1′ then
　　　　　　bus_next_state<=IDLE；
　　　　else
　　　　　　bus_next_state<=FINISH；
　　　　end if；
　　when others=>
　　　　bus_next_state<=IDLE；
end case；
　　根據(jù)上述狀態(tài)關系輸出總線空閑指示信號busbusy。
case bus_cur_state is
　　when IDLE=>
　　　　busbusy<=′0′；
　　when BUSY=>
　　　　busbusy<=′1′；
　　when LAST_DATA=>
　　　　busbusy<=′1′；
　　when FINISH=>
　　　　busbusy<=′1′；
　　when others=>
　　　　busbusy<=′0′；
end case；
2.2 總線主設備查詢狀態(tài)機
　　總線主設備查詢狀態(tài)機用來決定當前是否需要重新指定一個主設備。重新指定一個主設備的條件是：(1)當前被授權的設備已開始傳輸；(2)當前被授權的設備沒有開始傳輸并且超時。將主設備查詢狀態(tài)分為IDLE、GNT1、GNT2、WAIT_NOBUSY和WAIT_BUSY2五個狀態(tài)，并設置計數(shù)器count。當總線上某個設備被授權，但16個周期仍然沒有開始操作，count超過16，被視為超時，仲裁器可以撤銷其仲裁授權，并轉(zhuǎn)授其他設備。程序根據(jù)這個狀態(tài)機的輸出結果決定仲裁狀態(tài)機是否改變。

　　狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖4所示，狀態(tài)機描述的VHDL代碼略。
　　主設備查詢狀態(tài)機的輸出信號search_master：
case search_cur_state is
　　when NO_GNT =>
　　　　search_master <= ′1′;
　　when GNT1 =>
　　　　search_master <= ′0′;
　　when GNT2 =>
　　　　search_master <= ′1′;
　　when WAIT_NOBUSY =>
　　　　search_master <= ′0′;
　　when WAIT_BUSY2 =>
　　　　search_master <= ′0′;
　　when others =>
　　　　search_master <= ′0′;
end case;
　　該狀態(tài)機的驅(qū)動條件是由總線狀態(tài)狀態(tài)機的輸出結果(busbusy)、仲裁狀態(tài)機的狀態(tài)(idle，park)和計數(shù)器產(chǎn)生的超時信號(timeout)組成。設置WAIT_BUSY2的目的是為了避免可能會在AD線和PAR線上出現(xiàn)的沖突。該狀態(tài)機的輸出search_master作為仲裁狀態(tài)機狀態(tài)轉(zhuǎn)換使能信號，只有該信號有效時，仲裁狀態(tài)機才進行當前狀態(tài)的改變。
2.3 仲裁狀態(tài)機
　　仲裁狀態(tài)機表示總線仲裁器的狀態(tài)，定義如下：
　　type arbiter_state is(IDLE，DEV1，DEV2，PARK)；
　　當主設備查詢狀態(tài)機輸出使能信號(search_master)時，導致仲裁狀態(tài)機的狀態(tài)改變。
　　if(PCI_reset=′0′) then
　　　　arbiter_cur_state<=park；--總線在復位期間停靠
　　elsif rising_edge(PCI_clock) then
　　　　if(search_master=′1′) then
　　　　arbiter_cur_state<=arbiter_next_state；
　　　　end if；
　　end if；
　　狀態(tài)轉(zhuǎn)變過程如圖5所示，狀態(tài)機描述的VHDL代碼略。

　　仲裁器根據(jù)仲裁狀態(tài)機當前狀態(tài)控制仲裁授權信號(GNT)的給出。
　　when idle=>
　　　　gnt_out_n<=(others=>′1′)；
　　when dev1=>
　　　　gnt_out_n<=″10″；
　　when dev2=>
　　　　gnt_out_n<=″01″；
　　when park=>
　　　　gnt_out_n<=(PARKMASTER)；
　　when others=>
　　　　gnt_out_n<=(others =>′1′)；
　　end case；
　　注：PARKMASTER是事先設置的停靠狀態(tài)。
2.4 仿真波形圖
　　由圖6可以看出，測試文件模擬了一個設備申請和兩個設備同時申請的情況，并給出了總線授權信號(GNT)，驗證了仲裁器邏輯的正確性。

2.5 資源占用情況分析
　　可編程邏輯器件使用Lattice 公司的ispLSI2064E-135LT100，在ispLever中綜合本例程序，結果如表2。