基于FPGA的雙口RAM與PCI9O52接口設(shè)計(jì)

摘要：為了解決PCI9052和雙口RAM之間讀寫時(shí)序不匹配的問題，本設(shè)計(jì)采用可編程器件來實(shí)現(xiàn)它們之間的接口電路。此電路可以使系統(tǒng)更加緊湊。核心邏輯部分采用有限狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)，使控制邏輯直觀簡(jiǎn)單，提高了設(shè)計(jì)效率。
通過仿真工具M(jìn)odelSim Se對(duì)該接口電路進(jìn)行了驗(yàn)證，得出的仿真波形符合要求。
關(guān)鍵詞：PCI9052；雙口RAM；FPGA；狀態(tài)機(jī)

O 引言
    IDT70V28L(雙口RAM)的存取時(shí)間大于20ns，PCI9052工作于25MHz，其存取時(shí)間要大于雙口RAM的存取時(shí)間。PCI9052是發(fā)起交易的主動(dòng)者，相當(dāng)于一個(gè)慢速器件訪問快速器件，通過可編程器件，可以把PCI9052讀寫控制信號(hào)直接傳遞給IDT70V28L，完成時(shí)序的匹配。
    為將PCI9052的局部邏輯轉(zhuǎn)換為雙口RAM的讀寫控制信號(hào)和地址信號(hào)，本設(shè)計(jì)采用了可編程器件來實(shí)現(xiàn)它們之間的接口邏輯電路。在可編程器件設(shè)計(jì)中，狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)方法是應(yīng)用最廣泛的設(shè)計(jì)方法之一。有限狀態(tài)機(jī)是一種簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)清晰、設(shè)計(jì)靈活的方法，它易于建立、理解和維護(hù)，特別應(yīng)用在具有大量狀態(tài)轉(zhuǎn)移和復(fù)雜時(shí)序控制的系統(tǒng)中，更顯其優(yōu)勢(shì)。鑒于其優(yōu)勢(shì)，本設(shè)計(jì)采用了Verilog HDL描述的狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)該接口的時(shí)序邏輯，并通過仿真工具驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的正確性。

1 PCI9052和雙DRAM
1．1 PCI9052簡(jiǎn)介
    PCI9052是PLX公司繼PCI9050之后開發(fā)的低價(jià)位總線目標(biāo)接口芯片，低功耗，符合PCI2．1規(guī)范，它的局部總線(LOCAL BUS)可以通過可編程設(shè)置為8／16／32位的(非)復(fù)用總線，數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)到132Mb／s。它的主要功能和特性如下：
    (1)異步操作。PCI9052的Local Bus與PCI總線的時(shí)鐘相互獨(dú)立運(yùn)行，兩總線的異步運(yùn)行方便了高、低速設(shè)備的兼容。Local Bus的運(yùn)行時(shí)鐘頻率范圍為0～40MHz，TTL電平；PCI的運(yùn)行時(shí)鐘頻率范圍0～33MHz。
    (2)可編程的局部總線配置。PCI9052支持8位、16位或32位Local Bus，它們可以是復(fù)用或非復(fù)用。PCI9052有4個(gè)字節(jié)允許(LBE[3：0]#)信號(hào)，26條地址線(LA[27：2])，乖和32位、16位、8位數(shù)據(jù)線(LAD[3l：0])。
    (3)直接從(目標(biāo))數(shù)據(jù)傳送模式。PCI9052支持從PCI總線到Local Bus的猝發(fā)存儲(chǔ)器映射空間的傳送和I／O訪問。讀和寫FIFO允許在PCI和局部總線之間的高性能猝發(fā)。PCI總線被允許猝發(fā)，這樣Local Bus能被設(shè)置成猝發(fā)或持續(xù)單周期。
    (4)4個(gè)局部片選。PCI9052提供4個(gè)片選，每個(gè)片選的基地址和范圍被編程成獨(dú)立的由SEEPROM或主機(jī)。
    (5)5個(gè)局部地址空間。每個(gè)局部地址空間的基地址和范圍被由SEEPROM或主機(jī)編程成唯一的。
1．2 雙口RAM
    IDT70V28是高速64k×16的雙端口靜態(tài)RAM。它能被設(shè)計(jì)為1024kb的雙端口RAM或者是32位字主從雙端口RAM。該雙口RAM提供兩個(gè)獨(dú)立的具有控制、地址和I／O引腳的端口。它的主要特性如下：a．可同時(shí)訪問雙端口同一存儲(chǔ)器空間；b．高速存儲(chǔ)訪問，訪問速度可達(dá)到20ns；c．低功耗運(yùn)行；d．同過將多個(gè)設(shè)備級(jí)聯(lián)，可以方便地將數(shù)據(jù)線寬擴(kuò)展到32位或更高；e．具有‘busy’和‘interrupt’旗語。避免訪問沖突：f．可以獨(dú)立訪問端口。

2 PCI和雙口RAM之間的接口設(shè)計(jì)
    為了解決PCI9052和雙口RAM之間讀寫時(shí)序不匹配的問題，采用可編程邏輯器件CYCLONE-II來實(shí)現(xiàn)它們之間的接口電路，其信號(hào)連接關(guān)系如圖1所示。

    PCI9052對(duì)雙口RAM發(fā)出讀寫指令需在FPGA配置完之后，這可以通過查詢CONF_DONE(和USERl相連)和INIT_DONE(和USER3相連)來確定FPGA是否配置完成。如采樣INIT_DONE信號(hào)，當(dāng)其為高，表明FPGA配置完成；如采樣CONF_DONE，當(dāng)其為高，則PCI9052還需要等待tCD2UM(min=18 μs，max=40 μs)時(shí)間后，才能對(duì)雙口RAM進(jìn)行讀寫操作雙口RAM使用的是IDT70V28L，它的存取時(shí)間大于20ns。PCI9052采用非復(fù)用、單周期讀／寫模式，工作于25MHz時(shí)鐘，PCI訪問存儲(chǔ)器是以32位位寬，每讀寫操作一次在Local Bus上都對(duì)應(yīng)2次16位位寬的操作，為了防止相鄰二次交易的沖突，每次狀態(tài)機(jī)都是以檢測(cè)ADS信號(hào)有效開始一次讀寫訪問，且插入一個(gè)NXDA等待周期。具體讀寫操作實(shí)現(xiàn)過程如下。
2．1 PCI9052寫過程
    寫過程是用狀態(tài)機(jī)加以描述，該狀態(tài)機(jī)有6個(gè)狀態(tài)，分別是寫空閑、寫開始、寫等待數(shù)據(jù)、寫過程、寫過程等待和寫結(jié)束。具體的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖2所示。

    當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位后，BTERM、M S被拉高，LHOLD、MODE拉低，寫控制信號(hào)無效，狀態(tài)機(jī)處于寫空閑狀態(tài)。
    當(dāng)狀態(tài)機(jī)處于寫空閑狀態(tài)時(shí)，在每次上升沿采樣到ADS有效和LW R為高電平，且訪問雙口RAM空間(CS0或CSl有效)，狀態(tài)機(jī)就進(jìn)入寫開始狀態(tài)。在寫開始狀態(tài)，狀態(tài)機(jī)等待未進(jìn)行一定的操作。接著是寫等待數(shù)據(jù)狀態(tài)，此時(shí)根據(jù)片選信號(hào)CS0和CSl的值譯出SEML、CEOL、CElL，并輸出有效的地址和控制信號(hào)R WL、UBL、LBL到雙口RAM。接著是寫過程狀態(tài)，為了得到有效的數(shù)據(jù)，該過程未對(duì)輸入輸出操作。然后是寫過程等待狀態(tài)，此時(shí)，置LRDY信號(hào)有效且輸出有效的數(shù)據(jù)到雙口RAM。最后是寫結(jié)束狀態(tài)，將片選信號(hào)CEOI。、CElL、SEMI。置位無效，在該過程的下一個(gè)周期將其余的寫控制信號(hào)置為無效，狀態(tài)機(jī)恢復(fù)為寫空閑狀態(tài)。
2．2 PCI9052讀過程
    讀過程也是用狀態(tài)機(jī)加以描述，該狀態(tài)機(jī)有6個(gè)狀態(tài)，分別是讀空閑、讀開始、讀等待數(shù)據(jù)、讀過程、讀過程等待和讀結(jié)束。其狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖3所示。

    當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位后，BTERM、M S被拉高，LHOLD、MODE拉低，讀控制信號(hào)無效，狀態(tài)機(jī)處于寫空閑狀態(tài)。
    當(dāng)狀態(tài)機(jī)處于讀空閑狀態(tài)時(shí)，在每次上升沿采樣到ADS有效和LW R為低電平，且訪問雙口RAM空間(CS0或CSl有效)，狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)到讀開始狀態(tài)。接著是讀等待數(shù)據(jù)狀態(tài)，此時(shí)根據(jù)片選信號(hào)CS0和CSl的值譯出SEML、CE0L、CElL，并輸出有效的地址和控制信號(hào)R WL、UBL、LBL、OEL到雙口RAM。接著是讀過程狀態(tài)，為了得到有效的數(shù)據(jù)，該過程未對(duì)輸入輸出操作。然后是讀過程等待狀態(tài)，此時(shí)，置LRDY信號(hào)有效且輸出有效的數(shù)據(jù)到PCI9052。最后是寫結(jié)束狀態(tài)，在該過程的下一個(gè)周期將讀控制信號(hào)置為無效，狀態(tài)機(jī)恢復(fù)為讀空閑狀態(tài)。

3 FPGA仿真實(shí)現(xiàn)
    在Modelsim開發(fā)平臺(tái)下，實(shí)現(xiàn)了PCI9052讀寫雙口RAM的仿真過程，該仿真波形如圖4所示。從仿真波形可以看出該代碼可以實(shí)現(xiàn)將PCI90-52的讀寫控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成雙口RAM的讀寫控制信號(hào)，完成時(shí)序的匹配。

4 結(jié)語
    本設(shè)計(jì)采用了可編程邏輯芯片來實(shí)現(xiàn)PCI訪問雙口RAM的接口電路，該接口電路具有可改性與適用性。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，可編程器件的容量已經(jīng)達(dá)到千萬門級(jí)，越來越多過去必須由專用芯片或器件才能完成的工作現(xiàn)在都可以通過設(shè)計(jì)軟件由FPGA來實(shí)現(xiàn)了。硬件的軟件化已經(jīng)成為電子行業(yè)中不可阻擋的趨勢(shì)。