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PCI总线协议的FPGA实现及驱动设计

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

摘要:采用FPGA技术,在ALTERA公司的FLEX6000系列芯片上实现了从设备模式PCI总线的简化协议,并给出了Windows9x系统下的虚拟设备驱动程序,提供了与应用程序的接口。实现结果表明:该设备结构灵活,功能可靠,有利于与其它模块实现单片集成应用。本系统已应用在数据采集和处理、图像处理等方面。
  关键词:PCI总线协议现场可编程门阵列虚拟设备驱动
  
  目前,许多公司都提出了新型的计算机高速总线,如Arapahoe总线标准和HyperTransport技术,但各协议互不兼容,没有形成统一标准。作为传统的通用局部总线,PCI总线仍然占据着主流个人电脑市场,具有顽强的生命力。
  
  现在市面上存在着各种PCI接口芯片,如AMCC公司的S5933,PLX的9080系列等。专用芯片可以实现完整的PCI主设备与从设备模式的接口功能,将复杂的PCI总线接口转化相对简单的用户接口,但系统结构受接口芯片的限制,不能灵活地设计目标系统,且成本较高。本文使用符合PCI电气特性的FPGA芯片进行简化的PCI接口逻辑设计,实现了33MHz、32位数据宽度的PCI从设备模块的接口功能,节约了系统的逻辑资源,且可以将其它用户逻辑集成在同一块芯片,降低了成本,增加了设计的灵活性。另外,还给出了Windows9x系统下的设备驱动程序,可以与应用程序接口,形成一个完整的系统。目前,本系统已经被印染企业应用在数据采集和处理等方面。
  
  1系统构成与功能描述
  
  系统的总体框图如图1所示。
  
  由图1可见,系统的硬件平台为一块PCI卡。此卡的结构十分简洁,主要由FPGA芯片、RAM芯片和输出接口三部分组成。其中,FPGA芯片集成了PCI接口模块和数据处理模块。PCI接口模块实现了33MHz工作时钟、32位总线宽度的接口功能,支持I/O空间、内存空间及配置空间的读写和PCI中断功能。由于简化的PCI接口占用的逻辑资源较少,可在同一块芯片中集成其他用户逻辑。作为一个应用实例,本文加入了一个数据处理模块,对PCI接口传送来的数据进行处理,通过片外的输出接口输出到下位机。RAM芯片为数据处理提供缓存功能。
  
  2从设备模式下的简化PCI协议的实现
  
  为了实现PCI接口的基本功能,必须完成以下几个模块:
  
  (1)PCI配置空间设置。PCI协议支持三种地址空间:I/O空间、内存空间和配置空间。配置空间提供了支持PCI设备自动配置的机制,是必需的。
  
  (2)PCI从设备状态机。PCI总线状态机是具有PCI总线的计算机系统状态流,是由一个已知状态到另一个状态的条件、时序的描述。这是PCI接口设计中最基本也是最重要的部分。
  
  (3)地址译码和命令译码。地址译码用来确定PCI设备是否应当响应当前总线的操作;命令译码则用来指示PCI设备根据不同的总线命令作出相应的动作。
  
  本文采用ALTERA公司的Max+PlusII软件平台,硬件描述语言使用ALTERAHDL语言,也可以方便地转换民VHDL或VerilogHDL语言。在此之前,先引入PCI总线信号的定义。
  
  2.1总线信号定义
  
  根据PCI总线协议2.2版,从设备模式下PCI接口至少包含47根引脚。图2给出了按功能划分的引脚分布,左边是必需引脚。右边是可选引脚。为简化起见,本文采用了如下引脚,其他引脚均不使能或置为高阻态。
  
  (1)由系统提供的33MHz的同步时钟信号CLK和复位信号RST#(#表示低电平有效);
  
  (2)关于数据传输的核心信号:32位地址/数据复用线AD[31:0]、总线命令/字节使能复用线C/BE[3:0]#和偶校验信号PAR;
  
  (3)接口控制信号FRAME#、TRDY#、IRDY#、STOP#、DEVSEL#和IDSEL。其中,FRAME#为数据传输起止信号,TRDY#为主设备准备好信号,IRDY#为从设备准备好信号,STOP#为从设备停止请求信号,DEVSEL#为设备选择信号,IDSEL为配置空间读写时的片选信号;
  
  (4)中断引脚INTA#。
  
  为简化PCI协议,本文只实现了最重要的总线命令,表1给出了所支持的总线命令对应的C/BE[3:0]#编码值。
  
  表1支持的总线命令

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