8位单片机在嵌入式系统中应用广泛,然而让它直接与PCI总线设备打交道却有其固有缺陷。8位单片机只有16位地址线,8位数据端口,而PCI总线2.0规范中,除了有32位地址数据复用AD[3～0]外,还有FRAME、IRDY、TRDY等重要的信号线。让单片机有限的I/O端口来直接控制如此众多的信号线是不可能的。一种可行的方案就是利用CPLD作为沟通单片机与PCI设备间的桥梁,充分利用CPLD中I/O资源丰富、用户可自定制逻辑的优势,来帮助单片机完成与PCI设备间的通信任务。

1 PCI接口设计原理

1.1 PCI总线协议简介

这里只讨论PCI总线2.0协议,其它协议仅仅是在2.0的基础上作了一些扩展,仅就单片机与PCI设备间的通信来说,意义不大。PCI总线是高性能局部总线,工作频率0～33MHz,可同时支持多组外围设备。在这里,我们只关心单片机与一个PCI设备间通信的情况,而且是以单片机与CPLD一方作为主控方,另一方作为PCI从设备。这样做的目的是为了简化问题,降低系统造价。

PCI总线上信号线虽然多,但并不是每个信号都要用到。实际上PCI设备也并不会支持所有的信号线,比如错误报告信号PERR与SERR在网卡中就不支持。我们可以针对具体的应用选择支持其中部分信号线,还有一些信号线可以直接连电源或接地。下面简单介绍一下常用信号线的功能。

AD[31～0]：地址数据多路复用信号。在FRAME有效的第一个周期为地址,在IRDY与TRDY同时有效的时候为数据。

C/BE[3～0]：总线命令与字节使能控制信号。在地址中传输的是总线命令;在数据期内是字节使能控制信号,表示AD[31～0]中哪些字节是有效数据。以下是总线命令编码的说明：

C/BE[30]# 命令类型说明C/BE[30]# 命令类型说明

0 0 0 0　　中断应答　　1 0 0 0　　保留

0 0 0 1　　特殊周期　　1 0 0 1　　保留

0 0 1 0　　I/O读　　　1 0 1 0　　配置读

0 0 1 1　　I/O写　　　1 0 1 1　　配置写

0 1 0 0　　保留　　　　1 1 0 0　　存储器多行读

0 1 0 1　　保留　　　　1 1 0 １　　双地址周期

0 1 1 0　　存储器读　　1 1 1 0　　存储器一行读

0 1 1 1　　存储器写　　1 1 1 1　　存储器写并无效

PCI总线上所有的数据传输基本上都由以下三条信号线控制。

FRAME：帧周期信号。由主设备驱动,表示一次访问的开始和持续时间,FRAME有效时（0为有效,下同）,表示数据传输进行中,失效后,为数据传输最后一个周期。

IRD：主设备准备好信号。由主设备驱动,表示主设备已经准备好进行数据传输。

TRDY：从设备准备好信号。由从设备驱动,表示从设备已经准备好进行数据传输。当IRDY与TRDY同时有效时,数据传输才会真正发生。

另外,还有IDSEL信号用来在配置空间读写期间作为片选信号。对于只有一个PCI从设备的情况,它总可以接高电平。IDSEL信号由从设备驱动,表示该设备已成为当前访问的从设备,可以不理会。

在PCI总线上进行读写操作时,PCI总线上的各种信号除了RST、IRQ、IRQC、IRQ之外,只有时钟的下降沿信号会发生变化,而在时钟上升沿信号必须保持稳定。

1.2 CPLD设计规划

出于对单片机和CPLD处理能力和系统成本的考虑,下面的规划不支持PCI总线的线性突传输等需要连续几个数据周期的读写方式,而仅支持一个址周期加一个数据周期的读写方式。对于大部分应用而言,这种方式已经足够了。图1是经过简化后的PCI总线读写操作时序。

在CPLD内设有13个8位寄存器用来保存进行一次PCI总线读写时所需要的数据,其中pci_address0～pci_address3是读写时的地址数据;

图1 简化的PCI写操作时序

pcidatas0～pci_datas3是要往PCI设备写的数据;pci_cbe[3～0]保存地址周期时的总线命令;pci_cbe[7～4]保存数据周期时的字节使能命令;pci_data0～pci_data3保存从PCI设备返回的数据;pci_request是PCI总线读写操作状态寄存器,用于向单片机返回一些信息。当单片机往pci_cbe寄存器写入一个字节的时候,会复位CPLD中的状态机,触发CPLD进行PCI总线的读写操作;单片机则通过查询pci_request寄存器得知读写操作完成,再从pci_data寄存器读出PCI设备返回的数据。

CPLD中状态机的状态转移图如图2所示。每一个状态对应FRAME与IRD信号的一种输出,而其它输入输出信号线可由这两个信号线和pci_cbe的值及TRDY的状态决定。当FRAME为有效时,AD[31～0]由pci_address驱动,而C/BE[3～0]由pci_cbe低4位驱动;当IRDY有效时,C/BE[3～0]视总线命令,要么由pci_cbe高4位驱动,要么设为高阻态,而AD[31～0]在pci_cbe[0]为“0” （PCI读命令）时,设为高阻态,而在pci_cbe[0]为“1” （PCI写命令）时由pci_datas驱动。另外一方面,一旦TRDY信号线变为低电平,AD[31～0]线上的数据被送入pci_data寄存器,而C/BE[3～0]线上的数据被送入pci_request寄存器的低4位。

图2 状态转移图

考虑到在不正常情况下,PCI设备不会对PCI总线作出响应,即TRDY不会有效,为了不使状态机陷入状态S2的僵持局面,另外增设了一个移位计数器mycounter。当IRD信号有效时,计数器开始计数。计数溢出之后,不论PCI总线操作是否完成,状态机都会从状态S2转移到状态S3,即结束PCI总线操作。当TRDY有效时,会立即置位mycounter.cout。

PCI总线操作是否正确完成,可查询pci_request的最高位是否为“1”,而IRDY与FRAME的值可分别查询pci_request的第4位和第5位。这两位反映了PCI总线操作所处的状态,两位都为“1”时可以认为PCI总线操作已经完成。在实践中,如果单片机的速度不是足够快的话,可以认为PCI总线操作总是即时完成的。