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简易通用型PCI接口的VHDL-CPLD设计
摘要：从PCI时序分析入手，重点阐述了PCI通用的状态机设计，说明了用VHDL语言来实现本PIC通信状态机的软件设计以及进行MaxPlusII验证的程序和方法。用该方法所设计的接口既可支持PCI常规传输，又可支持PCI猝发传输。关键词：PCI时序CPLD器件状态图VHDL语言PCI猝发传输
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
用CPLD作PCI接口所构成的系统模型如图1所示。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。
2PCI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。图2和图3分别给出了PCI单数据段和猝发操作时的读写时序。
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。
图2
3基于CPLD的状态机设计
3.1状态机的构造
根据对上述时序图的分析，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。
图3
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。
3.4状态图的规划
综上所述便可得出如图4所示的设计规划图。
4VHDL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。整个程序如下：
LIBRARYieee;
USEieee.std_logic_1164.All;
USEieee.std_logic_unsigned.ALL;
ENTTTYcpciIS
PORT(clk,rst,frame,irdy:INSTD_LOGIC;
ad_high:INSTD_LOGIC_VECTOR(31downto24);
ad_low:INSTD_LOGIC_VECTOR(12downto0);
c_be:INSTD_LOGIC_VECTOR(3downto0);
trdy,devsel:OUTSTD_LOGIC;
cs,r_w:OUTSTD-LOGIC;
addr:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(12downto0);
ENDcpci;
ARCHITECTUREbehaveOFcpciIS
SIGNALaddr_map:STD_LOGIC_VECTOR(12downto0);
SIGNALread,write,cs-map:STD_LOGIC;
TYPEstate_typeIS(s0,s1,s2,s3,s4,s5);
SIGNALstate:state_type;
BEGIN
Identify:PROCESS(clk)--读、写、从设备的识别
BEGIN
IFrising_edge(clk)THEN
IFc_be=X"6"ANDad_high=X"50"ANDstate=s1
HTENread<='0';--读
write<='1';
cs_map<='0';
ELSIFc_be=X"7"ANDad_high=X"50"
ANDstate=s1THEN
read<='1';--写
write<='0';
cs_map<='0';
ELSIFstate=s0THEN
read<='1';
write<='1';
cs_map<='1';
ENDIF;
ENDIF;
ENDPROCESS;
Addr_count:PROCESS(clk)--操作地址的获取与地址的递增
BEGIN
IFfalling_edge(clk)THEN
IFstate=s1THENaddr_map<=ad-low;
ELSIFstate=s3THENaddr_map<=addr-map+1;
ENDIF;
ENDIF;
ENDPROCESS;
--操作信号的产生
addr<=addr-mapWHENstate=s3ORstate=s4
ELSE"ZZZZZZZZZZZZZ"
trdy<='0'WHENstate=s3ORstate=s4ORstate=s5
ELSE'1';
devsel<='0'WHENstate=s3ORstate=s4ORstate=s5
ELSE'1';
cs<='0'WHENstate=s3ORstate=s4ELSE'1';
r-w<=NOTclkWHENwrite='0'AND(state=s3ORstate=s4)ELSE'1';
state-change:PROCESS(clk,rst)--状态机的变化
BEGIN
IFrst='0'THENstate<=s0;
ELSIFfalling-edge(clk)THEN
CASEstateIS
WHENs0=>
IFframe='1'ANDirdy='1'THENstate<=s0;
ELSIFframe='0'ANDirdy='1'THENstate<=s1;
ENDIF;
WHENs1=>
IFcs_map='1'OR(read='1'ANDwrite='1')
THENstate<=s0;
ELSIFirdy='1'ANDread='0'THENstate<=s2;
ELSIFframe='0'ANDirdy='0'ANDwrite='0'
THENstate<=s3;
ELSIFframe='1'ANDirdy='0'ANDwrite='0'
THENstate<=s4;
ENDIF;
WHENs2=>
IFframe='1'ANDirdy='1'THENstate<=s0;
ELSIFframe='0'ANDirdy='0'ANDread='0'
THENstate<=s3;
ELSIFframe='1'ANDirdy='0'ANDread='0'
THENstate<=s4;
ENDIF;
WHENs3=>
IFframe='1'ANDirdy='1'THENstate<=s0;
ELSIFframe='0'ANDirdy='1'THENsta
te<=s5;
ELSIFframe='1'ANDirdy='0'THENstate<=s4;
ELSIFframe='0'ANDirdy='1'THENstate<=s3;
ENDIF;
WHENs4=>
ELSIFframe='1'ANDirdy='0'THENstate<=s4;
ENDIF;
WHENs5=>
IFframe='1'ANDirdy='1'THENstate<=s0;
ELSIFframe='0'ANDirdy='0'THENstate<=s3;
ELSIFframe='1'ANDirdy='0'THENstate<=s4;
ELSEstate<=s5;
ENDIF;
WHENOTHERS=>state<=s0;
ENDCASE;
ENDIF;
ENDPROCESSstate_change;
ENDbehave。
图5
5MaxPlusII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。图5所示是其读写访问的仿真波形图。
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