PCI總線仲裁器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
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摘要：基于Altera的CPLD器件的PCI總線仲裁器設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)仲裁器的AHDL編程，并結(jié)合仿真結(jié)果對(duì)PCI總線的仲裁進(jìn)行了論述。
關(guān)鍵詞：PCI仲裁器，CPLD，仿真
PCI總線仲裁器通常是集成在PCI芯片組中。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的深入，尤其是嵌入式系統(tǒng)的不斷發(fā)展，集成的仲裁器難以滿足某些場(chǎng)合的應(yīng)用。而采用CPLD技術(shù)實(shí)現(xiàn)的獨(dú)立的PCI總線仲裁器，則較好的適應(yīng)了這方面的需求。
一﹑PCI總線仲裁機(jī)制
PCI的仲裁是基于設(shè)備訪問(wèn)，而不是基于時(shí)間分配的。在任一時(shí)刻，總線上的一個(gè)主設(shè)備要想獲得對(duì)總線的控制權(quán)，就必須發(fā)出它的請(qǐng)求信號(hào)（PCIreqN），如果此刻該設(shè)備有權(quán)控制總線，總線仲裁器就使該設(shè)備的總線占用允許信號(hào)（PCIgntN）有效，進(jìn)而獲得總線的使用權(quán)。當(dāng)有多個(gè)主設(shè)備同時(shí)發(fā)出總線控制請(qǐng)求時(shí)，就必須由仲裁器根據(jù)一定的算法判定，當(dāng)前應(yīng)該由哪個(gè)主設(shè)備獲得控制權(quán)。
二、仲裁算法
常用的仲裁算法有：公平算法、循環(huán)算法等。
本仲裁器設(shè)計(jì)采用的是循環(huán)算法，設(shè)備的優(yōu)先級(jí)預(yù)先設(shè)定。目前的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)四個(gè)PCI設(shè)備請(qǐng)求的仲裁，各設(shè)備優(yōu)先級(jí)由高到低安排為：設(shè)備0 >設(shè)備1 > 設(shè)備2 > 設(shè)備3。
系統(tǒng)啟動(dòng)伊始，沒(méi)有設(shè)備使用PCI總線，也沒(méi)有設(shè)備請(qǐng)求使用PCI總線，仲裁器總是設(shè)定設(shè)備0擁有總線控制權(quán)，即將總線停靠于設(shè)備0。此時(shí)設(shè)備0的PCIgntN是有效的。而在此之后，仲裁器總是指定PCI總線的最后一個(gè)使用者為總線的?？吭O(shè)備。
當(dāng)有一個(gè)或多個(gè)設(shè)備提出擁有總線使用權(quán)的請(qǐng)求時(shí)，仲裁器將按照事先安排的設(shè)備優(yōu)先級(jí)順序逐一查詢。對(duì)于只有一個(gè)設(shè)備請(qǐng)求的情況，該設(shè)備的請(qǐng)求將會(huì)馬上得到響應(yīng)；如果多個(gè)設(shè)備同時(shí)發(fā)出請(qǐng)求時(shí)，仲裁器裁定首先響應(yīng)優(yōu)先等級(jí)高的設(shè)備的請(qǐng)求，當(dāng)此設(shè)備完成數(shù)據(jù)傳輸交出總線使用權(quán)后，再由優(yōu)先等級(jí)低的設(shè)備使用總線。示意框圖見(jiàn)圖2。
如果一個(gè)設(shè)備已獲得總線使用權(quán)并且正在進(jìn)行地址、數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，比它優(yōu)先級(jí)別高的設(shè)備也發(fā)出了占用請(qǐng)求，仲裁器將會(huì)撤銷優(yōu)先級(jí)別低的設(shè)備的總線占用信號(hào)，并把總線使用權(quán)交給優(yōu)先級(jí)別高的設(shè)備，同時(shí)還要確保在任一時(shí)刻不會(huì)出現(xiàn)多個(gè)設(shè)備同時(shí)占用總線的情況。具體見(jiàn)仿真分析。
三、編程設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
本設(shè)計(jì)使用AHDL語(yǔ)言，在MaxplusII 10.0上編譯通過(guò)，并進(jìn)行了仿真。
1. 仲裁器信號(hào)定義
SUBDESIGN PCI_arb
( -- 輸入
PCIclk ：INPUT -- PCI時(shí)鐘
Arbiter_rstN ：INPUT -- 復(fù)位信號(hào)
PCIreqN[3..0] ：INPUT -- 總線占用請(qǐng)求信號(hào)
frameN ：INPUT -- 數(shù)據(jù)交易的啟動(dòng)或開(kāi)始，主設(shè)備發(fā)出
irdyN ：INPUT --交易數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，主設(shè)備發(fā)出
-- 輸出
PCIgntN[3..0] ：OUTPUT -- 總線占用允許信號(hào)
)
frameN和irdyN決定了總線的狀態(tài)，只要兩個(gè)信號(hào)中的一個(gè)有效，就表明總線上有數(shù)據(jù)通過(guò)，總線處于忙狀態(tài)；當(dāng)兩個(gè)信號(hào)都無(wú)效時(shí)，則總線處于空閑狀態(tài)。
2. 仲裁器狀態(tài)機(jī)定義
parb_sm : MACHINE
OF BITS ( PARB2 , PARB1 , PARB0 )
WITH STATES (
PARB_SLT0 = 0, -- PCIgnt0#有效，設(shè)備0擁有總線使用權(quán)，總線空閑
PARB_SLT0D = 1, -- PCIgnt0#有效，數(shù)據(jù)在總線上傳輸，總線處于忙狀態(tài)
PARB_SLT1 = 2, -- 以下類同
PARB_SLT1D = 3,
PARB_SLT2 = 4,
PARB_SLT2D = 5,
PARB_SLT3 = 6,
PARB_SLT3D = 7 )；
3. 仲裁的實(shí)現(xiàn)
由于采用循環(huán)算法，對(duì)每一個(gè)設(shè)備而言狀態(tài)的變換都是相同的，下面僅以設(shè)備0的狀態(tài)轉(zhuǎn)換為例：
CASE parb_sm IS
WHEN PARB_SLT0 =>
IF ( !frameN # !irdyN # frameN & irdyN & PARBtout4 ) THEN
IF ( !PCIreqN1 ) THEN
PCIgntN1 = GND;
parb_sm = PARB_SLT1D;
ELSIF ( !PCIreqN2 ) THEN
PCIgntN2 = GND;
parb_sm = PARB_SLT2D;
ELSIF ( !PCIreqN3 ) THEN
PCIgntN3 = GND;
parb_sm = PARB_SLT3D;
ELSE
PCIgntN0 = GND;
parb_sm = PARB_SLT0D;
ELSE
PCIgntN0 = GND;
parb_sm = PARB_SLT0D;
END IF;
WHEN PARB_SLT0D =>
PCIgntN0 = GND;
IF ( frameN & irdyN ) THEN
parb_sm = PARB_SLT0;
ELSE
Parb_sm = PARB_SLT0D;
END IF;
為了避免AD線上和PAR線上出現(xiàn)時(shí)序競(jìng)爭(zhēng)，一個(gè)設(shè)備的PCIgntN信號(hào)有效和另一個(gè)設(shè)備的PCIgntN的撤銷，如果不是在總線空閑狀態(tài)，則兩者之間至少要有一個(gè)時(shí)鐘的延遲。設(shè)計(jì)中，將每個(gè)設(shè)備占用總線的狀態(tài)分為兩部分，PARB_SLTx(總線空閑)和PARB_SLTxD(總線忙)；狀態(tài)機(jī)不能從一個(gè)設(shè)備的PARB_SLTxD狀態(tài)直接轉(zhuǎn)到另一個(gè)設(shè)備的PARB_SLTyD狀態(tài)，中間必須經(jīng)過(guò)至少一個(gè)時(shí)鐘的PARB_SLTx狀態(tài)的銜接，這樣就避免了總線上競(jìng)爭(zhēng)的出現(xiàn)。
代碼中，PARBtout為一5位計(jì)數(shù)器，對(duì)PCI時(shí)鐘個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，用來(lái)判別設(shè)備發(fā)出請(qǐng)求信號(hào)后是否在規(guī)定時(shí)間內(nèi)（16個(gè)時(shí)鐘，即PARBtout[4..0] = 10000）占據(jù)了總線，啟動(dòng)了數(shù)據(jù)的傳輸；如果超時(shí)，則撤銷該設(shè)備的請(qǐng)求信號(hào)，并按預(yù)設(shè)的優(yōu)先級(jí)順序，對(duì)其余設(shè)備總線使用權(quán)進(jìn)行新一輪的裁定。計(jì)數(shù)器的編程實(shí)現(xiàn)：
IF ( PARBtout4 # PCIreqN0 & PCIreqN1 & PCIreqN2 & PCIreqN3 ) THEN
PARBtout [ ] = 0;
ELSIF ( frameN & irdyN ) THEN
PARBtout [ ] = PARBtout [ ] + 1;
ELSE
PARBtout [ ] = 0;
END IF;
四、仿真分析
1. 單一設(shè)備總線請(qǐng)求情況
系統(tǒng)初始化后自動(dòng)將總線?？坑谠O(shè)備0上,總線處于空閑狀態(tài)，frameN、irdyN均為高電平。需要強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是，仲裁所用的PCI控制信號(hào)均在PCI時(shí)鐘信號(hào)的上升沿采樣而得。如圖3所示，設(shè)備2發(fā)出總線占用信號(hào)，仲裁器在時(shí)鐘上升沿A處采樣到該信號(hào)，并開(kāi)始啟動(dòng)PARBtout計(jì)數(shù)，此時(shí)的frameN、irdyN為高電平，設(shè)備0仍然擁有總線使用權(quán)；隨后設(shè)備2驅(qū)動(dòng)使得frameN和irdyN有效，在時(shí)鐘上升沿B處，仲裁器采樣到frameN和irdyN，計(jì)數(shù)器清零，使設(shè)備2的PCIgntN2信號(hào)有效，從而占用總線，設(shè)備把地址、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)到總線上，總線處于忙狀態(tài)。
之后，設(shè)備2撤銷其PCIreqN2信號(hào)，放棄對(duì)總線的占用；接著frameN、irdyN信號(hào)相繼無(wú)效，表明數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瓿桑偩€變?yōu)榭臻e，仲裁器在C處采樣后，將總線?？吭谠O(shè)備2上。
2. 多個(gè)設(shè)備同時(shí)請(qǐng)求總線使用權(quán)（以兩個(gè)設(shè)備為例）
設(shè)備3首先發(fā)出請(qǐng)求信號(hào)，仲裁器在時(shí)鐘A處采樣后，計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，此時(shí)總線仍然為設(shè)備0占用著；在時(shí)鐘B處的采樣，檢測(cè)到frameN有效，表明數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_(kāi)始，仲裁器使得PCIgntN3信號(hào)有效，設(shè)備3獲得總線所有權(quán)；
在隨后的一個(gè)時(shí)鐘上升沿，仲裁器采樣到設(shè)備2的總線請(qǐng)求信號(hào)，此時(shí)由于frameN、irdyN依然有效，表明數(shù)據(jù)傳輸正在進(jìn)行中，必須等當(dāng)前數(shù)據(jù)傳輸完成后，設(shè)備2才能占用總線進(jìn)行自己的數(shù)據(jù)傳輸，此時(shí)仲裁器隱含設(shè)定設(shè)備2擁有總線使用權(quán)。設(shè)備3在時(shí)鐘C之前使得frameN、irdyN無(wú)效，總線進(jìn)入空閑狀態(tài)，?？吭谠O(shè)備3上。設(shè)備2檢測(cè)到總線空閑，驅(qū)動(dòng)自己的frameN、irdyN信號(hào)，仲裁器在時(shí)鐘D處采樣到有效的frameN、irdyN信號(hào)后，使PCIgntN2有效，設(shè)備2占據(jù)總線，開(kāi)始數(shù)據(jù)的傳輸。設(shè)備2使用完總線后，使總線回到空閑狀態(tài)，停靠在設(shè)備2上；設(shè)備3檢測(cè)到總線空閑，再次驅(qū)動(dòng)frameN、irdyN有效，從而再次獲得總線使用權(quán)(時(shí)鐘上升沿F處)。所有傳輸完成后，總線將停靠在設(shè)備3上。
值得一提的是，如果設(shè)備3在被迫交出總線前不能完成所有數(shù)據(jù)的傳輸，它必須使自己的PCIreqN3信號(hào)持續(xù)有效，這樣在設(shè)備2用完總線后，仲裁器能將使用權(quán)交回，從而完成剩余數(shù)據(jù)的傳輸。
圖5為設(shè)備獲得總線使用權(quán)，在設(shè)定的16個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)沒(méi)有啟動(dòng)傳輸，仲裁器狀態(tài)的變換。仍以兩個(gè)設(shè)備為例。
五、應(yīng)用CPLD進(jìn)行PCI總線仲裁器的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；配置靈活，可以根據(jù)系統(tǒng)的需要，對(duì)有關(guān)信號(hào)進(jìn)行裁減或者擴(kuò)展；在線修改方便。本設(shè)計(jì)采用Altera的EPM3064實(shí)現(xiàn)，并應(yīng)用于所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)板中。
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