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简易通用型PCI接口的VHDL-CPLD设计

  用CPLD设计所构成的CPI接口系统具有简洁、可靠等优点,是一种行之有效的设计途径。很多技术杂志和网站上,都有不少用CPLD设计PCI常规传输系统的文章。但用这些方法在MzxPlusII、Fundition等环境下进行模拟仿真时,其产生的时序往往与PCI规范有很大出入。虽然 Altera 等公司推出PCI核可以直接使用,但这样的内核占用CPLD解密资源较多,且能适配的器件种类少,同时价格也高,在实际设计应用中有很大的局限性。因此,使用通用型CPLD器件设计简易型PCI接口有很大的现实意义。在Compact接口的CPLD设计中,笔者根据PCI总线传输时序来进行状态机构造,并使用VHDL语言进行功能模拟和定时分析,从而达到了预期目的。用该方法设计的CPLD-PCI接口既可支持PCI常规传输,也可支持PCI猝发传输,而且在系统编程和下载器件方面,效果也都很好。

1 典型的CPLD-PCI接口模型简介
  这里,CPLD/FPGA用于完成PCI主/从传输时序的逻辑构成与变换,并对双口RAM进行适当操作。在整个系统的设计中,CPLD常常使用PCI总线的33MHz时钟,双口RAM常常选用高速器件来简化PCI传输的逻辑设计。

2 PCI总线传输时序分析
  PCI总线传输至少需要40多条信号线,包括数据/地址线、接口控制线、仲裁、总线命令及系统线等。每次数据传输均由一个地址脉冲和一个或几个数据脉冲组成。一次传输一个地址和一个数据的称为常规传输;一次传输一个地址和一批数据的称为猝发传输。常用的控制信号有:帧同步信号FRAME、主设备准备好信号IRDY、从设备准备好信号TRDY、从设备选通信号DEVSEL、命令/字节信号C/BE等。
  分析PCI总线的传输时序,可以看出,PCI总线传输有以下几个显著特点:
  (1)每次数据传输时首先传出地址和命令字,从设备一般可从地址中确定是不是对本机的访问,并确定访问的首地址;而从设备则从命令字中识别该访问是读操作还是写操作;
  (2)读写访问只有在信号IRDY、TRDY、DEVSEL都为低状态时才能进行;
  (3)猝发传输通常需要通过逻辑来实现地址的自动递加;
  (4)主从设备中任一方没有准备好,操作中都需要能够引起等待状态插入的活动;
  (5)系统通常在帧同步信号FRAME的下降沿诱发数据传输,而在上升沿指明只有一个数据或只剩下一个数据;
  (6)读操作比写操作多一个中间准备过程。

3 基于CPLD的状态机设计
  3.1 状态机的构造
    完成一个简易PCI总线传输需要设计六个状态:S0~S5,其中状态S0标识PCI总线空闲时期;状态S1标识地址与总线命令识别阶段;状态S2标识读操作入口的准备阶段;状态S3标识读/写访问周期;状态S4标识最后一个数据传输阶段;状态S5标识操作中的等待时期。

  3.2 状态功能的确定
    各状态所应执行的功能如下:
      状态S0~S2用于对PCI总线置高信号TRDY和DEVSEL;对双口RAM则置高片选信号CS,以使读/写信号处于读状态,此时地址呈现三态。此外,在S1态还应依据地址信号来确定是不是对本机的选择,并识别是不是读或写操作。
      状态S3~S4用于对PCI总线置低信号TRDY和DEVSEL;对双口RAM则产生片选信号CS、读或写信号,同时确定适当的读写访问地址。
      状态S5用于对PCI总线置低信号TRDY和DEVSEL;并且对双口RAM置高片选信号CS,以使读/写信号处于读状态,此时地址呈现三态。

  3.3 状态变化的确定
    根据对PCI总线传输时序的分析,影响各个状态相互转化的因素是:帧同步信号FRAME、主设备准备好信号IRDY、从设备选择信号CS-MAP、读识别信号READ以及写识别信号WRITE。这里,可用CS-MAP、READ、WRITE来标识状态S1产生的中间识别信号。
    需要注意,在状态S1时要寄存收到的首地址,而在状态S3变化时要适时进行地址递增。
    还要注意状态机设计时产生的容错问题,以便在非设计状态下能够无条件回到空闲态S0。
    由于采用的是高速双口RAM,并且规划分开了RAM两侧的写操作区域,因此可以认为:RAM是可以任意访问的。

4 VHDL语言的描述
  设计时,使用三个进程和几个并行语句可实现整个CPLD的功能:一个进程用于完成从设备及其读写操作的识别;一个进程用于完成操作地址的获取与地址的递增;第三个进程完成状态机的变化。用几个并行语句完成操作信号的产生时,需要注意,各状态所完成的功能要用并行语句实现,不能再用进程,否则就会引起逻辑综合的麻烦,有时甚至根本不能综合。

5 MaxPlusII的验证
  设计CPLD时,可使用MaxPlusII软件来进行逻辑综合、功能模拟与定时分析。本例选用 Altera 的Max7000系列在系统可编程器件EPM7064SLC84-5。

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