基于PCI总线的GP-IB接口电路设计

摘要： 主要介绍作为从设备如何根据PCI总线协议设计PCI总线接口电路，从而实现基于PCI总线的GP-IB接口电路设计，重点阐述PCI总线接口状态机的设计。

前言

    基于PCI总线的GP-IB接口电路框图如图1所示，工控机采用PCI-104堆栈结构，通过PCI总线和EPLD相连，数据总线为32bit，传输速率为33MHz。EPLD完成PCI总线接口电路的设计和NAT9914接口芯片的控制，通过驱动芯片75160和75162完成GP-IB的接口通信。在此重点介绍EPLD内部电路设计。

　

    图1  GP-IB接口电路结构框图

    EPLD内部电路设计

    PCI局部总线很复杂，PCI局部总线也在不断的发展中，现在已经衍生有CPCI、PCI EXPRESS等总线标准。PCI局部总线定义的功能很强大，当然如果需要将所有的PCI局部总线的要求都能实现，购买PCI局部总线的专用集成电路或IP核是最佳选择，因为PCI局部总线的硬件设计过于庞大，全部实现有一定的难度。如果设备只是作为从设备，根据设计要求实现起来也不是很复杂，很多功能如仲裁、边界扫描及错误报告等功能就可以不用实现，甚至像奇偶校验、重试、突发传输等功能也可以不用实现。

    根据GP-IB接口卡的功能，本文主要介绍在EPLD中实现PCI总线接口电路的设计，并且能够正确操作GP-IB总线协议的控制芯片NAT9914。EPLD的容量较小，我们采用XILINX公司的XC95288XL器件，只有288个宏单元，经过设计优化，最终成功装载。其实现原理框图如图2所示。

图2  EPLD内部电路框图

    PCI接口信号设计

    设计PCI接口信号很关键，PCI总线规范定义的信号很多，在设计过程中必须有所取舍。下面按照PCI总线规范的要求，根据设计电路的实际需求，设计如下接口信号：
    Rst : 上电复位信号，低电平有效。
            　　
    Clk : 时钟信号33MHz。

    Cbe[3..0] : 命令、字节使能信号。

    Ad[31..0] : 地址、数据多路复用的三态输入/输出信号。

    Frame : 帧周期信号，由主设备驱动，表示当前主设备一次交易的开始和持续时间。

    Irdy : 主设备准备好信号。

    Trdy : 从设备数据准备好信号。

    Devsel : 从设备被选中响应信号。

    Inta ：从设备中断请求，低有效。

    在设计时舍弃的信号有：Par、Stop、Perr、Serr、Req、Gnt。  

    GP-IB接口芯片控制信号设计

    根据电路要求，设计如下接口信号，用来完成对NAT9914和驱动芯片的控制，实现PCI到GP-IB接口的转换。

    Target_clk: GP-IB接口控制芯片时钟，本方案设计为33MHz时钟的8分频。

    Target_rst：复位脉冲信号，低电平复位。

    Target_ce: 读写使能，高电平为读，低电平为写。

    Target_sc：标识GP-IB接口卡作为控者，还是作为普通器件。

    Target_we：写使能控制，低电平有效。

    Target_int_l：控制芯片中断输出，低电平有效。

    Target_abus：有效地址输出。

    Target_dbus：三态数据输入/输出总线。
            　　
    电路优化设计

    图2给出了PCI总线接口电路的原理框图，由于EPLD容量较小，在设计时必须尽量减少不必要的电路设计，并对电路设计进行优化，下面给出各电路模块的功能设计：

    译码电路

    PCI总线命令编码方式有12种，在本设计中我们只实现配置读、配置写、存储器读和存储器写四种编码交易类型。译码功能电路工作在地址周期，包括命令译码、地址译码和命令/地址锁存等三项功能。在Frame变低的第一个时钟周期内，译码电路对来自主设备的命令Cbe[3..0]进行译码，并向状态机控制模块发出是配置读写还是存储器读写命令，同时锁存地址。

    配置寄存器

    在PCI规范中，配置空间是一个容量为256字节并具有特定记录结构或模型的地址空间，该空间又分为头标区和设备有关区两部分。在配置寄存器中不用的寄存器当CPU读的时候,将默认为零。

    重试

    GP-IB控制芯片寄存器响应完全能够满足PCI规范的要求，不需要进行重试，这部分功能不再实现。

    奇偶校验

    在BIOS中可以对奇偶校验进行屏蔽和开放，为了减少设计的复杂性，奇偶校验功能在EPLD中没有实现，在BIOS中进行了屏蔽。

    NAT9914接口控制电路

    NAT9914接口控制电路主要完成内部总线到外设的时序控制。GP-IB总线接口采用的是负逻辑电平设计，考虑到EPLD的容量有限，在设计时数据传输不支持DMA模式，只支持单周期CPU读写。由于CPU读数据时延迟较大，在对PCI状态机设计时必须进行读延迟等待。
            　　
    状态机的设计与实现

    状态机的设计是整个设计中的核心部分，它主要用来控制从设备和PCI总线的时序。在本设计方案中，配置过程的完成和存储器的读写都是由状态机来完成的。由于EPLD的容量有限，GP-IB接口芯片的读写速度比较慢，在设计状态机时，不支持CPU的猝发操作。表1给出了状态机的状态名、状态变量和说明，图3给出了状态机的流程图。 

            

图3  状态机设计流程图

    下面根据状态机的流程图给出读、写操作时序分析与设计要点：

    PCI规范中定义了三种读写操作，即Memory和I/O读写及配置读写。本方案不支持I/O读写,只支持Memory和配置的读写，下面给出Memory映射方式的单周期仿真读写时序。
            　　
    存储器写操作

    存储器单周期写操作时序如图4所示，当frame为低电平时启动读写操作，同时给出要写的目标地址ad[31..0]和命令cbe[3..0]＝7，cbe等于7表示写寄存器，从设备锁存命令和地址到缓冲区。在第2个clk，主设备将irdy变低，同时给出数据，状态机运行到6，锁存数据给缓冲区，trdy、devsel由高阻变为高电平。在第3个clk，devsel变低，给出主设备应答信号，表示从设备已经响应请求，状态机运行到7。根据写操作，target_we、target_ce变低，并对地址进行译码，放在地址总线上，同时驱动数据总线，表示在对控制芯片进行写操作。在第4个clk，检测到目标设备的target_ready_l为低电平，表示从设备已经做好接受数据的准备，状态机运行到8，将trdy变低。在第5个clk，状态机运行到9，trdy变高，同时主设备将驱动irdy变高，表示一个写周期结束。状态机运行到初始状态，等待下一次操作。target_ce、target_we将延迟变高，结束控制芯片写周期。

图4  存储器写周期时序

    存储器读操作

    存储器单周期读操作时序如图5所示，当frame为低电平时启动读写操作，同时给出要写的目标地址ad[31..0]和命令cbe[3..0]＝6，从设备锁存该命令和地址。在第2个clk，状态机运行到6，进入读写等待状态，主设备将frame变高，表示单周期模式，trdy、devsel、由高阻变为高电平。在第3个clk,状态机运行到7，并给出应答信号devsel，检测到target_ready_l为高电平，状态机进入等待状态，直到为低电平，然后运行到读等待状态4。在状态机8，trdy变低，从设备将读数据放在ad[31..0]总线上。在状态机9，trdy变高，devsel变高，同时主设备将irdy变高，结束单周期读操作。devsel、trdy回到高阻状态，状态机运行到初始状态，准备下次操作。

图5  存储器读周期时序

    结语

    本设计占用芯片的资源少，可移植性强，根据设备不同的需求可以进行设计更改，在很多测试仪器中都得到了广泛的应用。

参考文献：

    1．李贵山、陈金鹏，PCI局部总线及其应用，西安电子科技大学出版社，2003
    2. 候伯亨、顾新，VHDL硬件描述语言与电路设计，西安电子科技大学出版社，1997