原標(biāo)題：基于協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片PCI9054與FPGA實(shí)現(xiàn)PCI通信接口設(shè)計(jì)方案

基于協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片PCI9054與FPGA實(shí)現(xiàn)PCI通信接口的設(shè)計(jì)方案

引言

外設(shè)組件互連標(biāo)準(zhǔn)（Peripheral Component Interconnection，簡(jiǎn)稱PCI）是由Intel公司于1991年推出的一種高性能局部總線標(biāo)準(zhǔn)，其數(shù)據(jù)總線寬度為32位，并可擴(kuò)展至64位，最大數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)128-256MB/s，遠(yuǎn)超過ISA總線5Mbyte/s的速度。PCI總線因其高速度、高可靠性和廣泛的兼容性，在網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)采集處理、工業(yè)控制等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。隨著技術(shù)的發(fā)展，PCI總線還衍生出了多個(gè)擴(kuò)展版本，如PCI-E、CPCI、PXI等。本文將詳細(xì)介紹基于協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片PCI9054與FPGA實(shí)現(xiàn)PCI通信接口的設(shè)計(jì)方案，包括主控芯片型號(hào)、設(shè)計(jì)原理及其在設(shè)計(jì)中的作用。

主控芯片型號(hào)及其特性

PCI9054芯片特性

PCI9054是由美國(guó)PLX公司生產(chǎn)的先進(jìn)的PCI橋接芯片，它支持PCI V2.2協(xié)議，是32位、33MHz的PCI總線主I/O加速器。PCI9054采用了先進(jìn)的PLX數(shù)據(jù)流水線結(jié)構(gòu)技術(shù)，突發(fā)傳輸速率可達(dá)到132MB/s，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。其主要特性包括：

1. 兼容PCI協(xié)議v2.2：完全符合PCI總線規(guī)范，確保與各類PCI設(shè)備的兼容性。

2. 電源管理功能：支持PCI電源管理特性，降低系統(tǒng)功耗。

3. 兩個(gè)獨(dú)立的DMA通道：支持塊傳輸（Block DMA）和Scatter/Gather DMA，提高數(shù)據(jù)傳輸效率。

4. 可編程FIFO：內(nèi)置6個(gè)可編程FIFO，實(shí)現(xiàn)零等待突發(fā)傳輸，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。

5. 多種工作模式：支持M、C、J三種工作模式，可通過模式選擇引腳（MODE[1:0]）進(jìn)行控制，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

6. 串行EEPROM接口：可選的串行EEPROM接口，用于存儲(chǔ)配置信息，簡(jiǎn)化系統(tǒng)配置過程。

FPGA的作用

FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）作為一種可編程邏輯器件，具有高度的靈活性和可定制性。在PCI通信接口設(shè)計(jì)中，F(xiàn)PGA主要承擔(dān)以下任務(wù)：

1. 信號(hào)轉(zhuǎn)換與邏輯控制：FPGA通過編程實(shí)現(xiàn)對(duì)PCI9054與PCI總線之間信號(hào)的轉(zhuǎn)換與邏輯控制，確保數(shù)據(jù)的正確傳輸。

2. 數(shù)據(jù)緩存與處理：利用FPGA內(nèi)部的RAM或FIFO進(jìn)行數(shù)據(jù)的緩存與處理，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎涂煽啃浴?/p>

3. 擴(kuò)展功能實(shí)現(xiàn)：根據(jù)實(shí)際需求，F(xiàn)PGA可以方便地實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)、DSP等其他處理器的接口，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理與控制功能。

設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)架構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)主要由PCI9054和FPGA兩部分構(gòu)成。PCI9054作為PCI總線與本地總線之間的橋接芯片，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)PCI總線與本地總線之間的信號(hào)轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)傳輸。FPGA則通過編程實(shí)現(xiàn)對(duì)PCI9054的控制與數(shù)據(jù)處理。

接口設(shè)計(jì)

1. PCI總線接口

   PCI9054提供了完整的PCI總線接口，包括地址數(shù)據(jù)復(fù)用信號(hào)AD[31:0]、總線命令信號(hào)C/BE[3:0]和PCI協(xié)議控制信號(hào)PAR、FRAME#、IRDY#、TRDY#、STOP#、IDSEL、DEVSEL#等。這些信號(hào)通過PCI插槽與PCI總線相連，實(shí)現(xiàn)與PCI總線的通信。

2. LOCAL總線接口

   LOCAL總線接口是PCI9054與FPGA之間的接口，用于實(shí)現(xiàn)本地總線與PCI總線之間的數(shù)據(jù)傳輸。LOCAL總線接口支持多種工作模式（M、C、J模式），可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇。在本設(shè)計(jì)中，我們選擇C模式，因?yàn)樗哂休^簡(jiǎn)單的時(shí)序邏輯和較低的開發(fā)難度。

   FPGA通過LOCAL總線接口與PCI9054相連，接收來自PCI總線的數(shù)據(jù)和控制信號(hào)，并產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)對(duì)FPGA內(nèi)部的RAM或FIFO進(jìn)行讀寫操作。

邏輯設(shè)計(jì)

1. PCI總線控制

   FPGA內(nèi)部需要設(shè)計(jì)PCI總線控制模塊，用于接收PCI總線的控制信號(hào)，并根據(jù)這些信號(hào)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)PCI9054的控制。PCI總線控制模塊需要遵循PCI總線協(xié)議，確保數(shù)據(jù)的正確傳輸。

2. LOCAL總線控制

   FPGA內(nèi)部還需要設(shè)計(jì)LOCAL總線控制模塊，用于實(shí)現(xiàn)LOCAL總線的狀態(tài)控制，并產(chǎn)生FPGA片內(nèi)RAM或FIFO的讀寫時(shí)序及地址信號(hào)。LOCAL總線控制模塊需要根據(jù)PCI9054的工作模式和時(shí)序要求，設(shè)計(jì)合適的控制邏輯。

3. 數(shù)據(jù)緩存與處理

   FPGA內(nèi)部可以設(shè)計(jì)RAM或FIFO作為數(shù)據(jù)緩存區(qū)，用于存儲(chǔ)來自PCI總線的數(shù)據(jù)或待發(fā)送給PCI總線的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)緩存區(qū)的大小和類型可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行定制。同時(shí)，F(xiàn)PGA還可以設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理模塊，用于對(duì)緩存區(qū)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的處理，如數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)校驗(yàn)、數(shù)據(jù)壓縮或解壓等，以滿足特定應(yīng)用的需求。

DMA傳輸設(shè)計(jì)

在PCI通信中，DMA（Direct Memory Access）傳輸是一種高效的數(shù)據(jù)傳輸方式，它允許數(shù)據(jù)直接在內(nèi)存與外設(shè)之間傳輸，無需CPU的干預(yù)。PCI9054提供了兩個(gè)獨(dú)立的DMA通道，可以配置為塊傳輸（Block DMA）或Scatter/Gather DMA模式。

• 塊傳輸（Block DMA）：適用于連續(xù)內(nèi)存塊的數(shù)據(jù)傳輸。FPGA需要配置PCI9054的DMA控制寄存器，設(shè)置源地址、目標(biāo)地址、傳輸長(zhǎng)度等參數(shù)，并啟動(dòng)DMA傳輸。在傳輸過程中，F(xiàn)PGA可以監(jiān)控DMA狀態(tài)寄存器，以了解傳輸進(jìn)度和狀態(tài)。

• Scatter/Gather DMA：適用于非連續(xù)內(nèi)存塊的數(shù)據(jù)傳輸。FPGA需要構(gòu)建Scatter/Gather列表，該列表包含了多個(gè)數(shù)據(jù)塊的源地址和目標(biāo)地址信息。FPGA將Scatter/Gather列表的地址寫入PCI9054的相應(yīng)寄存器，并啟動(dòng)DMA傳輸。PCI9054會(huì)根據(jù)列表中的信息，自動(dòng)完成多個(gè)數(shù)據(jù)塊的傳輸。

電源與復(fù)位設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)過程中，還需要考慮電源與復(fù)位電路的設(shè)計(jì)。PCI9054和FPGA需要穩(wěn)定的電源供應(yīng)，并且需要設(shè)計(jì)合理的復(fù)位電路，以確保在系統(tǒng)上電或復(fù)位時(shí)，各芯片能夠正確初始化并處于已知狀態(tài)。

設(shè)計(jì)中的挑戰(zhàn)與解決方案

1. 時(shí)序匹配：PCI總線具有嚴(yán)格的時(shí)序要求，F(xiàn)PGA需要精確控制各個(gè)信號(hào)的時(shí)序，以確保與PCI9054的可靠通信。解決方案是仔細(xì)研究PCI總線規(guī)范，并在FPGA設(shè)計(jì)中使用精確的時(shí)鐘管理和信號(hào)延遲控制。

2. 數(shù)據(jù)一致性：在DMA傳輸過程中，需要確保數(shù)據(jù)的完整性和一致性。解決方案是設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)校驗(yàn)機(jī)制，如CRC校驗(yàn)，并在數(shù)據(jù)傳輸前后進(jìn)行校驗(yàn)，以確保數(shù)據(jù)的正確性。

3. 中斷處理：PCI總線支持中斷機(jī)制，F(xiàn)PGA需要能夠正確響應(yīng)和處理來自PCI總線的中斷請(qǐng)求。解決方案是在FPGA中設(shè)計(jì)中斷控制模塊，用于接收和處理中斷信號(hào)，并根據(jù)中斷類型執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。

結(jié)論

基于PCI9054與FPGA實(shí)現(xiàn)PCI通信接口的設(shè)計(jì)方案，充分利用了PCI9054的高性能PCI橋接功能和FPGA的靈活性與可定制性。通過合理的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)和邏輯設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)高效、可靠的PCI通信接口。該設(shè)計(jì)方案不僅適用于需要高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱?chǎng)合，還具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性和可移植性，可以方便地應(yīng)用于各種基于PCI總線的系統(tǒng)中。在實(shí)際應(yīng)用中，還需要根據(jù)具體需求進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化和調(diào)整，以確保系統(tǒng)的最佳性能和穩(wěn)定性。