PCI总线协议的FPGA实现及驱动设计

　　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总线接口转化为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上，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，可以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总线的计算机系统的状态流，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ＡＬＴＥＲＡ ＨＤＬ语言，也可以方便地转换成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；[page]
　　
　　（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。

　　２．２ 配置空间设置

　　配置空间大小为２５６字节，前６４字节必需，记录了ＰＣＩ设备的基本信息，比较重要的有：
　　
　　（１）ＶｅｎｄｏｒＩＤ、ＤｅｖｉｃｅＩＤ和Ｃｌａｓｓ Ｃｏｄｅ域：分别表示设备的生产厂商、设备编号和类型；
　　
　　（２）Ｃｏｍｍａｎｄ和Ｓｔａｔｕｓ域：分别给出了对ＰＣＩ设备的控制命令和当前状态；
　　
　　（３）Ｂａｓｅ Ａｄｒｅｓｓ Ｒｅｇｉｓｔｅｒ域：指示此ＰＣＩ设备按Ｉ／Ｏ方式还是内存方式进行读写以及需要的地址空间大小；
　　
　　（４）Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ Ｌｉｎｅ和Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ Ｐｉｎ域：分别指明了设备使用的中断号和中断引脚。 在对配置空间的访问中，用ＡＤ[７：２]寻址一个双字ＤＷＯＲＤ。在本设计中，配置空间设置如表２所示，各值的具体含义请参阅文献[１]。

　　２．３ 简化的从设备状态机
　　
　　在ＰＣＩ协议中，标准的从设备状态机包含五种状态，而且各状态的跳转条件比较复杂。本文在不违反ＰＣＩ协议的前提下，简化了从设备的状态机，如图３所示。
 

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　　图３中，状态转移条件信号ａ、ｂ、ｃ定义如下：ａ代表配置空间访问条件，ｂ代表Ｉ／Ｏ空间或内存空间访问条件，ｃ代表总线传输开始条件。这三个条件的实现由后面的命令译码模块给出。
　　
　　ＩＤＬＥ是系统的缺省状态，表示总线当前空闲。通常，设备处在ＩＤＬＥ状态时，要检测来自ＰＣＩ总线和后级设备的信号，以便设备作出合适的响应。设备处于Ｓ＿ＤＡＴＡ状态时完成第一次数据传输，直接无条件跳到ＢＡＣＫＯＦＦ状态。设备在ＢＡＣＫＯＦＦ状态时进行多个数据传输，直至主设备断开访问。需要注意的是：任何对Ｉ／Ｏ空间、配置空间以及内存空间的突发传输的地址超过了设备映射地址的范围时，从设备要在此状态建立ＳＴＯＰ信号，断开访问。当帧信号无效或主设备终止传输时，设备回到初始的ＩＤＬＥ状态。ＢＵＳ＿ＢＵＳＹ状态时总线忙，表示总线正在被其它设备使用。有两条转移路径，若总线仍然被占用，则停留在ＢＵＳ＿ＢＵＳＹ状态，否则返回空闲状态ＩＤＬＥ。
　　
　　２．４ 地址译码和命令译码模块
　　
　　地址译码模块主要检测ＰＣＩ地址与本ＰＣＩ卡的基地址是否匹配，可以通过ＡＤ[３１：００]信号线上的值与设置的基地址作比较判断。如果ＰＣＩ地址落在设置的基地址范围内，则ＰＣＩ卡响应当前的总线操作。
　　
　　命令译码模块指示ＰＣＩ卡响应不同的总线命令，通过检测Ｃ／ＢＥ[３：０]＃信号线上的值，与表１列出的总线命令作比较，完成命令译码。
　　
　　３ Ｗｉｎｄｏｗｓ９ｘ系统下驱动程序的设计
　　
　　对ＰＣＩ设备而言，驱动程序提供了获取ＰＣＩ卡的配置空间信息、勾挂ＰＣＩ中断、总线数据传输等功能。本文介绍使用Ｎｕｍｅｇａ公司的ＶｔｏｏｌｓＤ软件进行驱动设计的方法。
　　
　　３．１ 寻找ＰＣＩ卡并读取配置空间信息
　　
　　配置空间包含了系统初始化ＰＣＩ设备所必需的信息，首先需要遍历整个硬件树结构来寻找指定的ＰＣＩ设备。对于每一个设备，比较其厂商号（Ｖｅｎｄｏｒ ＩＤ）和设备编号Ｄｅｖｉｃｅ ＩＤ，如果与设计的ＰＣＩ卡的信息匹配，则读取它的配置空间信息。
　　
　　３．２ Ｉ／Ｏ方式下的读写操作
　　
　　Ｉ／Ｏ方式下的读写比较简单。在得到ＰＣＩ设备基地址信息后，通过Ｃ＋＋语言中的端口读写函数ｉｎｐｄ和ｏｕｔｐｄ即可完成。举例如下：
　　
　　Ｔｅｍｐ＝＿ｉｎｐｄ（ｇＢａｓｅＡｄｄｒｅｓｓｅｓ）；／／ Ｔｅｍｐ中得到读出的数据
　　
　　＿ｏｕｔｐｄ（ｇＢａｓｅＡｄｄｒｅｓｓｅｓＤａｔａ）； ／／向基地址写入数据
　　
　　其中，ｇＢａｓｅＡｄｄｒｅｓｓｅｓ为基地址值，Ｄａｔａ为写操作时的数据。
　　
　　３．３ 内存方式下的读写
　　
　　对于内存方式下的读写，一个重要问题就是地址的映射。因为硬件设备读写的是物理内存，但应用程序读写的是虚拟地址，所以存在着将物理内存地址映射到用户程序线性地址的问题。
　　
　　映射功能通过调用ＶｔｏｏｌｓＤ软件的标准库函数完成。根据给定的物理地址和所要求的空间大小，在系统内存中分配相应空间。首先，用ＰａｇｅＲｅｓｅｒｖｅ函数分配当前保留页的线性地址空间，再利用ＰａｇｅＣｏｍｍｉｔＰｈｙｓ函数的服务对开始的线性地址空间分配相应的物理地址空间。程序如下：
　　
　　ＵＬＯＮＧ ｎＰａｇｅｓ＝＿ＮＰＡＧＥＳ＿（ＰｈｙｓＡｄｄｒｅｓｓＳｉｚｅＩｎＢｙｔｅｓ）；
　　
　　Ｌｉｎｅａｒ＝ＰａｇｅＲｅｓｅｒｖｅ（ＰＲ＿ＳＹＳＴＥＭｎＰａｇｅｓＰＲ＿ＦＩＸＥＤ）；
　　
　　ＰａｇｅＣｏｍｍｉｔＰｈｙｓ（ＰＡＧＥＮＵＭ（Ｌｉｎｅａｒ），ｎＰａｇｅｓＰＡＧＥＮＵＭ （ＰｈｙｓＡｄｄｒｅｓｓ），ＰＣ＿ＩＮＣＲ ｜ ＰＣ＿ＷＲＩＴＥＡＢＬＥ ｜ ＰＣ＿ＵＳＥＲ）；
　　
　　ＬｉｎＰａｇｅＬｏｃｋ（ＰＡＧＥＮＵＭ（Ｌｉｎｅａｒ），ｎＰａｇｅｓ０）；
　　
　　其中，ＰｈｙｓＡｄｄｒｅｓｓ为给定的物理地址，ＳｉｚｅＩｎＢｙｔｅｓ为需要的空间大小。
　　
　　建立了物理ＲＡＭ到系统内存的映射后，就可以利用Ｃ＋＋语言中的文件操作基类ＣＦｉｌｅ类完成数据的读写。首先使用ＣＦｉｌｅ类的成员函数Ｏｐｅｎ打开文件，为保证数据读写的准确无误，必须使用二进制方式打开；接下来使用Ｒｅａｄ和Ｗｒｉｔｅ成员函数进行文件读写；完毕后用Ｃｌｏｓｅ成员函数关闭文件。
　　
　　３．４ 中断的勾挂和处理
　　
　　首先在ＯＮ＿ＤＥＶＩＣＥ＿ＩＮＩＴ函数中完成中断的初始化。即通过前面读取的ＰＣＩ设备的中断号，使用ＶＰＩＣＤ＿Ｖｉｒｔｕａｌｉｚｅ＿ＩＲＱ函数进行中断勾挂，并调用ＶＰＩＣＤ＿Ｐｈｙｓｉｃａｌｌｙ＿Ｕｎｍａｓｋ函数开中断。
　　
　　ＲＴＣＩＲＱＨａｎｄｌｅ＝ＶＰＩＣＤ＿Ｖｉｒｔｕａｌｉｚｅ＿ＩＲＱ（＆ＩＲＱｄｅｓｃ）；

　　ＶＰＩＣＤ＿Ｐｈｙｓｉｃａｌｌｙ＿Ｕｎｍａｓｋ（ＲＴＣＩＲＱＨａｎｄｌｅ）；
　　然后在ＲＴＣＩｎｔ＿Ｈａｎｄｌｅｒ函数中进行中断处理，可以进行各种操作，例如向应用程序发送自定义的消息来通知中断的发生。
　　
　　３．５ 与应用程序的通信
　　
　　一般地，应用程序通过ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ函数调用ＶｘＤ驱动程序，得到一个ＶｘＤ的文件句柄。使用如下的语句可以打开一个名为ｍｙｄｒｉｖｅｒ．ＶＸＤ的文件，得到的句柄保存在ｈＶｘＤ中。
　　
　　ｈＶｘＤ＝ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ（″＼＼＼＼．＼＼ｍｙｄｒｉｖｅｒ．ＶＸＤ″０，０，０，ＣＲＥＡＴＥ－ＮＥＷ，ＦＩＬＥ－ＦＬＡＧ－ＤＥＬＥＴＥ－ＯＮ－ＣＬＯＳＥ，０）；
　　
　　通过句柄ｈＶｘＤ和ＤｅｖｉｃｅＩｏＣｏｎｔｒｏｌ函数就可以与驱动程序进行数据传输。
　　
　　本文采用ＡＬＴＥＲＡ公司的ＦＬＥＸ６０００系列芯片，型号为ＥＰＦ６０１６ＴＣ１４４－３，实现了简化的从设备模式ＰＣＩ协议，并在Ｗｉｎｄｏｗｓ９ｘ系统下实现驱动程序的设计。整个系统工作良好。资源占用情况如下：可用Ｉ／Ｏ引脚１１３根，占用５１根，占用率４５％；可用逻辑单元数１３２０个，占用１５１个，占用率１１％。
　　
　　简化的ＰＣＩ协议的实现占用较少的逻辑资源，可以灵活方便地进行功能添加和改进，同时可以在同一块芯片中集成其他用户模块，实现不同功能，以降低成本。目前，本系统已经应用在数据采集和处理、图像处理等方面。