摘要：根據(jù)CPLD可編程技術(shù)具有功能集成度高、設(shè)計靈活，開發(fā)周期短、成本低的特點，本文給出了一種使用Altera公司的芯片以及開發(fā)軟件，設(shè)計開發(fā)PCI總線上的各種即插即用板卡的具體設(shè)計方法。

關(guān)鍵詞：CPLD PCI總線 即插即用

PLD與PCI簡介

PLD（可編程邏輯器件）以其操作靈活、使用方便、開發(fā)迅速、投資風(fēng)險低的特點，很快發(fā)展起來，并越來越受人們的矚目。PLD是可以由用戶在工作現(xiàn)場編程的邏輯器件，它從簡單的PAL、GAL，已發(fā)展到CPLD、EPLD、FPGA和FLEX系列。他們都具有體系結(jié)構(gòu)和邏輯單元靈活、集成度高以及適用范圍廣等特點。

同以往的PAL、GAL等相比較，F(xiàn)PGA/CPLD的規(guī)模比較大，適合于時序、組合等邏輯電路等場合應(yīng)用?？删幊踢壿嬈骷讓W(xué)、易用，簡化了系統(tǒng)設(shè)計，縮小了系統(tǒng)規(guī)模，提高了系統(tǒng)的可靠性。一個器件的可用門已達(dá)數(shù)萬門，引腳間延時僅幾ns，而且仍在朝著高密度、高速度的方向迅速發(fā)展。

計算機(jī)總線是計算機(jī)各部件之間進(jìn)行信息傳輸?shù)墓餐ǖ馈Ｔ诋?dāng)今的微型機(jī)中主要采用的是PCI總線，ISA、EISA總線正逐步被淘汰。所以對硬件設(shè)計人員來說，掌握PCI總線板卡的開發(fā)技術(shù)是非常重要的。板卡的設(shè)計方法通常有這么幾種：一是做ASIC，開發(fā)周期長；另一種是在專用接口芯片下開發(fā)，使使用不是很靈活，系統(tǒng)規(guī)模大；目前最新的方法是用PLD來開發(fā)設(shè)計。

設(shè)計實例

在進(jìn)行CPLD設(shè)計時，筆者使用的軟件是Altera的MAX+PLUS Ⅱ開發(fā)系統(tǒng)是一個完全集成化、易學(xué)易用的、與結(jié)構(gòu)無關(guān)的可編程邏輯設(shè)計環(huán)境，它使通用系統(tǒng)設(shè)計和者能方便的進(jìn)行設(shè)計輸入、快速處理和器件編程，使用此軟件的設(shè)計方法是很靈活的，可以采用硬件描述語言（PLD）、電路圖，甚至是時序圖。根據(jù)不同的情況可以采用不同的方法，在一個設(shè)計中也可以采用多種方法。下面以一個簡單的PCI從設(shè)備設(shè)計為例，說明設(shè)計思想與過程。

在本例中，設(shè)計的PCI卡作為從設(shè)備使用，可以實現(xiàn)即插即用功能，卡上有1MB的存儲器可供使用。在PCI即插即用板卡的設(shè)計中，核心設(shè)計有兩部分：時序控制和配置空間。時序控制保證了板卡能按正常的PCC時序工作，配置空間部分保證了板卡的即插即用功能。

在本例中，這兩部分都由AHDL語言來實現(xiàn)的（AHDL語言是Altera公司專門為其芯片設(shè)計開發(fā)的一種硬件描述語言）。在時序控制程序中采用狀態(tài)機(jī)模型來實現(xiàn)不同時序的轉(zhuǎn)換，采用這種方式既節(jié)省資源，程序也簡單易懂。

本例中的狀態(tài)機(jī)共使用了七種狀態(tài)，分別對應(yīng)空閑、存儲器讀寫的判斷、配置讀寫的判斷、讀、寫、過渡周期、總線忙周期的時序。板卡接到復(fù)位信號后，對系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位，然后轉(zhuǎn)入空閑狀態(tài)。在空閑狀態(tài)中采用總線，并根據(jù)總線的變化來決定下一個時鐘上升沿后，狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)入何種狀態(tài)。這些時序和程序中用到的信號都是基本且必須的。在進(jìn)行開發(fā)時可以根據(jù)需要增添必要的狀態(tài)和信號。程序描述如下：

subdesign statesmachine

(clk,rst,frame,ad[31..0],cbe[3..0],idsel,irdy,mem_bar[12..0] :input;

devsel,trdy,cfg_rd,cfg_wr,mem_rd,mem_wr :output;

cfg_addr[5..0],mem_addr[16..0] :output;)

//以上定義了狀態(tài)機(jī)模塊的輸入輸出引腳

VARIABLE

pxg ci_state :MACHINE

WITHSTATES(idle,cmp_cfg,cmp_addr,read,write,turn_ar,bus_busy);

//定義狀態(tài)機(jī)變量，共有七個狀態(tài)空閑狀態(tài)idle，配置空間操作cmp_cfg，比較地址cmp_addr，讀狀態(tài)read，寫狀態(tài)write，過渡周期狀態(tài)turn_ar，總線忙狀態(tài)bus_busy。通過狀態(tài)機(jī)的不同狀態(tài)實現(xiàn)時序的轉(zhuǎn)換，在每個狀態(tài)中實現(xiàn)不同的時序周期。

BEGIN

初始化：對內(nèi)部信號和各個輸入輸出引腳進(jìn)行初始化，設(shè)定它們的連接關(guān)系。

IF rst=b0THEN//判斷是否復(fù)位

實現(xiàn)復(fù)位的時序操作。

ELSE

CASE pci_state IS

WHEN idle=> //空閑狀態(tài)

在此狀態(tài)中，每個時鐘周期判斷frame和idsel信號的變化，一旦發(fā)現(xiàn)frame被置為有效，就根據(jù)idsel信號判斷下一狀態(tài)轉(zhuǎn)入對配置空間操作的cmp_cfg或是比較地址對存儲器操作的cmp_addr WHEN cmp_cfg=> //對配置空間操作的狀態(tài)。

在此狀態(tài)中根據(jù)地址線的低兩位判斷是否是對配置空間的操作，若不是轉(zhuǎn)入總線忙狀態(tài)bus_busy；若是則根據(jù)cbe的信號是A或B來判斷是讀還是寫，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的狀態(tài)read，write。

WHEN cmp_addr =>//地址比較狀態(tài)

在此狀態(tài)中判斷要讀寫地址的高位與配置空間中分配的地址是否相同，若不同轉(zhuǎn)入總線忙狀態(tài)bus_busy；若相同則根據(jù)cbe的信號是6或7來判斷是讀還是寫，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的狀態(tài)read，write。

WHEN read=> //讀狀態(tài)

在此狀態(tài)中，根據(jù)cbe的值判斷是配置讀還是存儲讀，然后控制輸出信號mem_rd，cfg_rd，trdy,devsel產(chǎn)生相應(yīng)的讀時序，同時在此周期中判斷frame，irdy信號，若irde變低并且frame變高，則讀狀態(tài)結(jié)束，轉(zhuǎn)入turn_ar狀態(tài)。

WHEN write=> //寫狀態(tài)

在此狀態(tài)中，根據(jù)cbe的值判斷是配置寫還是存儲寫，然后控制輸出信號mem_wr,cfg_wr,trdy,devsel產(chǎn)生相應(yīng)的寫時序，同時在此周期中判斷frame，irdy信號，若irdy變低并且frame變高，則寫狀態(tài)結(jié)束，轉(zhuǎn)入turn_ar狀態(tài)。

WHEN turn_ar => //信號的過渡周期狀態(tài)

按照PCI的總線規(guī)范，S/T/S信號，從有效變?yōu)楦】罩氨仨毐ＷC使其具有至少一個時鐘周期的高電平狀態(tài)，此狀態(tài)中，將所有的S/T/S信號置為高。

WHEN bus_busy=> //總線忙狀態(tài)

總線不對本卡操作，因此通過對frame信號的判斷，本決定何時脫離本狀態(tài)。

WHEN OTHERS =>

若進(jìn)入此狀態(tài)，則應(yīng)根據(jù)需要，馬上轉(zhuǎn)入bus_busy或idle

END，CASE；

END IF；

END；

配置空間部分也采用AHDL語言來描述實現(xiàn)，在配置空間中定義PCI卡的功能、內(nèi)存空間的分配、以及產(chǎn)品號、ID號等。通過對配置空間的定義，才能保證板卡的即插即用功能。描述如下：

subdesign config

(add[5..0],idata[n..0],int_data[7..0],rd,wr,clk

odata[31..0],barout[12..0] :output;) //定義輸入輸出begin

初始化：對引腳進(jìn)行初始化，指定它們的邏輯關(guān)系。

Bar0[]=idata[];

Table

add[] => outtri[31..0]。in;

b000000 => h88881172;

b000001 => h02000002;

end table; //配置空間中前三分的內(nèi)容，可根據(jù)需要設(shè)定。

if add[]= =b000100 then //對存儲器的地址分配

向配置空間的基址寄存器區(qū)的高位，系統(tǒng)啟動時寫入分配給本卡存儲器的起始地址

end if;

if add[]= =b001111 then //寫中斷向量

寫入系統(tǒng)啟動時分配給本卡的中斷向量

end if;

end;

兩部分都通過軟件生成模塊，兩模塊之間的接口部分，可以很容易的通過電路圖的連接來實現(xiàn)。兩個模塊圖如圖。

結(jié)束語

使用CPLD技術(shù)開發(fā)PCI板卡有以下優(yōu)點：

1.開發(fā)周期短、成本低、投資風(fēng)險小，標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品無需測試、質(zhì)量穩(wěn)定，可實時在線檢驗。采用CPLD技術(shù)設(shè)計完成后，可以進(jìn)行實時的時序仿真。驗證改進(jìn)設(shè)計結(jié)果，而不需重復(fù)的硬件試驗。設(shè)計通過后寫入芯片，通過測試即可投入使用。比使用一些專用的PCI芯片開發(fā)要簡單，而且省去了其他開發(fā)設(shè)備，所以成本也較低。比之ASIC開發(fā)的周期則要短的多。

2.使用靈活方便。由于開發(fā)的板卡的直接在總線的基本規(guī)范上進(jìn)行，沒有使用一些專用芯片，因而開發(fā)更靈活、自由，受到的限制更少，整個硬件模塊規(guī)模也較小，可以將很多自己的算法與技術(shù)和PCI合成在一起，做出技術(shù)含量更高的產(chǎn)品。

3.有利于知識產(chǎn)權(quán)的保護(hù)和軟件性能的提高。利用這項技術(shù)可以將自己的算法、技術(shù)和一些軟件做成硬件固化到卡上，既提高了運行速度，也使盜版者難以復(fù)制。

本文結(jié)合一個實例給出了在PCI總線上利用CPLD技術(shù)設(shè)計各種板卡的設(shè)計方案，簡單實用，有很高的應(yīng)用價值。