基于AHDL語言和CPLD技術(shù)實(shí)現(xiàn)PCI總線板卡的設(shè)計(jì)開發(fā)

基于AHDL語言和CPLD技術(shù)實(shí)現(xiàn)PCI總線板卡的設(shè)計(jì)開發(fā)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(xiǎn)低的特點(diǎn)，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(diǎn)。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(shí)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(jì)，縮小了系統(tǒng)規(guī)模，提高了系統(tǒng)的可靠性。一個(gè)器件的可用門已達(dá)數(shù)萬門，引腳間延時(shí)僅幾ns，而且仍在朝著高密度、高速度的方向迅速發(fā)展。計(jì)算機(jī)總線是計(jì)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(jì)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(jì)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)，但使用不是很靈活，系統(tǒng)規(guī)模大；目前最新的方法是用PLD來開發(fā)設(shè)計(jì)。在進(jìn)行CPLD設(shè)計(jì)時(shí)，使用的軟件是Altera的MAX+PLUSII。Altera的MAX+PLUSII開發(fā)系統(tǒng)是一個(gè)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(jì)環(huán)境，它使通用系列設(shè)計(jì)者能方便的進(jìn)行設(shè)計(jì)輸入、快速處理和器件編程，使用此軟件的設(shè)計(jì)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(shí)序圖。根據(jù)不同的情況可以采用不同的方法，在一個(gè)設(shè)計(jì)中也可以采用多種方法。下面以一個(gè)簡單的PCI從設(shè)備設(shè)計(jì)為例，說明設(shè)計(jì)思想與過程。在本例中，設(shè)計(jì)的PCI卡作為從設(shè)備使用，可以實(shí)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(jì)中，核心設(shè)計(jì)有兩部分：時(shí)序控制和配置空間。時(shí)序控制保證了板卡能按正常的PCI時(shí)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(shí)現(xiàn)的（AHDL語言是Altera公司專門為其芯片設(shè)計(jì)開發(fā)的一種硬件描述語言）。在時(shí)序控制程序中采用狀態(tài)機(jī)模型來實(shí)現(xiàn)不同時(shí)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(shí)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)中采樣總線，并根據(jù)總線的變化來決定下一個(gè)時(shí)鐘上升沿后，狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)入何種狀態(tài)。這些時(shí)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(shí)可以根據(jù)需要增添必要的狀態(tài)和信號。程序描述如下：subdesignstatesmachine（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VARIABLEpci_state:MACHINEWITHSTATES（idle，cmp_cfg，cmp_addr，read，write，turn_ar，bus_busy）;//定義狀態(tài)機(jī)變量，共有七個(gè)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(shí)現(xiàn)時(shí)序的轉(zhuǎn)換，在每個(gè)狀態(tài)中實(shí)現(xiàn)不同的時(shí)序周期。BEGIN初始化：對內(nèi)部信號和各個(gè)輸入輸出引腳進(jìn)行初始化，設(shè)定它們的連接關(guān)系。IFrst==b“0”THEN//判斷是否復(fù)位實(shí)現(xiàn)復(fù)位的時(shí)序操作。ELSECASEpci_stateISWHENidle=》//空閑狀態(tài)在此狀態(tài)中，每個(gè)時(shí)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_addrWHENcmp_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。WHENcmp_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。WHENread=》//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(shí)序，同時(shí)在此周期中判斷frame，irdy信號，若irdy變低并且frame變高，則讀狀態(tài)結(jié)束，轉(zhuǎn)入turn_ar狀態(tài)．WHENwrite=》//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(shí)序，同時(shí)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)。WHENturn_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(gè)時(shí)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。WHENbus_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，來決定何時(shí)脫離本狀態(tài)。WHENOTHERS=》若進(jìn)入此狀態(tài)，則應(yīng)根據(jù)需要，馬上轉(zhuǎn)入bus_busy或idleENDCASE;ENDIF;END;配置空間部分也采用AHDL語言來描述實(shí)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：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(shí)現(xiàn)。兩個(gè)模塊圖如圖。使用CPLD技術(shù)開發(fā)PCI板卡有以下優(yōu)點(diǎn)：1、開發(fā)周期短、成本低、投資風(fēng)險(xiǎn)小，標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品無需測試、質(zhì)量穩(wěn)定，可實(shí)時(shí)在線檢驗(yàn)。采用CPLD技術(shù)設(shè)計(jì)完成后，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)的時(shí)序仿真。驗(yàn)證改進(jìn)設(shè)計(jì)結(jié)果，而不需重復(fù)的硬件試驗(yàn)。設(shè)計(jì)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)的板卡是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(gè)硬件模塊的規(guī)模也較小，可以將很多自己的算法與