一种基于CPLD的单片机与PCI接口设计解决方案

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
0 引言 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。 2 PCI设计接口实现 2.1 CPLD VHDL程序设计 我们针对8位单片机控制PCI以太网卡进行了程序设计,CPLD器件选用Xilinx的XC95216系列。针对以太网卡的特点在逻辑上进行了再次简化,最终程序将适配进XC95261芯片中,并在实践中检验通过。 以太网卡仅支持对配置空间和I/O空间的读写操作,而且这两个空间的地址都可以设置在0xFF以内,所以可以只用一个pci_address0寄存器,其它地址都直接设为“0”;如果再限制,每次只往网卡写入一个字节数据,则可以只用一个pci_datas0寄存器,其它数值在具体操作时设成与pci_datas0寄存器的一样即可。 2.2 单片机PCI读写C语言程序设计 在CPLD在帮助下,单片机读写PCI设备就变得相当简单。首先,将pci_cbe等寄存器都声明为外部存储器变量,并根据CPLD的设计指定地址。然后,传递适当的参数给以下两个读写子函数,即可完成对PCI设备配置空间、I/O空间、存储器空间的读写操作。从PCI设备的返回数据存放在全局变量savedata中。 实际上在写PCI设备时,也可以从pci_data中得到返回数据。这个数据必须等于往PCI设备写的数据。利用这一点可以进行差错检验和故障判断,视具体应用而定。     bdate unigned char request; sbit IRDY0=request^4; sbit FRAME0=request^5; sbit VALID=request^7; void readpci(unsigned char addr,unsigned char cbe){ pci_address0=addr; pci_cbe=cbe; request=pci_request; while(!IRDY0 %26;amp; FRAME0)) request=pci_request; savedata0=pci_data0; savedata1=pci_data1; savedata2=pci_data2; savedata3=pci_data3; if(!VALID)printf("Data read is invalid! "); } void writepci(uchar addr,uchar value0,uchar cbe){ data uchar temp; pci_address0=addr; pci_datas0=value0; pci_cbe=cbe; request=pci_request; while(!(IRDY0 %26;amp; FRAME0)) request=pci_request; if(!VALID)printf("Data write is invalid!"); } [b]3 结论 [/b] 用CPLD实现单片机与PCI总线接口的并行通信,电路结构简单、体积小,1片CPLD芯片足够,并且控制方便,实时性强,通信效率高。本设计方法已成功地应用于作者开发的各种数据采集系统中,用作单片机与PC104之间的并行数据通信,效果非常理想。 4 参考文献 [1] 周明德.微型计算机系统原理及应用 [M] .第四版,北京:清华大学出版社,2002. [2] 白中英.计算机组成原理 [M] .北京:科学出版社,1999. [3] Xilinx芯片手册.美国赛灵思半导体公司
编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/others/200703/8948.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。
论坛活动 E手掌握
微信扫一扫加关注
论坛活动 E手掌握
芯片资讯 锐利解读
微信扫一扫加关注
芯片资讯 锐利解读
推荐阅读
全部

小广播

About Us 关于我们 客户服务 联系方式 器件索引 网站地图 最新更新 手机版

站点相关: 安防电子 医疗电子 工业控制

北京市海淀区知春路23号集成电路设计园量子银座1305 电话:(010)82350740 邮编:100191

电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2016 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved