PCI总线仲裁器的设计与实现演示教学.docx

PCI 总线仲裁器的设计与实现 摘要基于的器件的总线仲裁器设计，实现仲裁器的编程，并结合仿真结果对总线的仲裁进行了论述。关键词仲裁器，仿真总线仲裁器通常是集成在芯片组中。随着计算机应用的深入，尤其是嵌入式系统的不断发展，集成的仲裁器难以满足某些场合的应用。而采用技术实现的独立的总线仲裁器，则较好的适应了这方面的需求。一总线仲裁机制的仲裁是基于设备访问，而不是基于时间分配的。在任一时刻，总线上的一个主设备要想获得对总线的控制权，就必须发出它的请求信号，如果此刻该设备有权控制总线，总线仲裁器就使该设备的总线占用允许信号有效，进而获得总线的使用权。当有多个主设备同时发出总线控制请求时，就必须由仲裁器根据一定的算法判定，当前应该由哪个主设备获得控制权。二、仲裁算法常用的仲裁算法有公平算法、循环算法等。本仲裁器设计采用的是循环算法，设备的优先级预先设定。目前的设计实现对四个设备请求的仲裁，各设备优先级由高到低安排为设备 0设备 1设备 2设备 3。系统启动伊始，没有设备使用总线，也没有设备请求使用总线，仲裁器总是设定设备 0 拥有总线控制权，即将总线停靠于设备 0。此时设备 0 的是有效的。而在此之后，仲裁器总是指定总线的最后一个使用者为总线的停靠设备。当有一个或多个设备提出拥有总线使用权的请求时，仲裁器将按照事先安排的设备优先级顺序逐一查询。对于只有一个设备请求的情况，该设备的请求将会马上得到响应；如果多个设备同时发出请求时，仲裁器裁定首先响应优先等级高的设备的请求，当此设备完成数据传输交出总线使用权后，再由优先等级低的设备使用总线。示意框图见图 2。如果一个设备已获得总线使用权并且正在进行地址、数据传输时，比它优先级别高的设备也发出了占用请求，仲裁器将会撤销优先级别低的设备的总线占用信号，并把总线使用权交给优先级别高的设备，同时还要确保在任一时刻不会出现多个设备同时占用总线的情况。具体见仿真分析。三、编程设计与实现本设计使用语言，在 100 上编译通过，并进行了仿真。1 仲裁器信号定义_-输入-时钟_-复位信号30-总线占用请求信号-数据交易的启动或开始，主设备发出-交易数据准备好，主设备发出-输出&;30-总线占用允许信号和决定了总线的状态，只要两个信号中的一个有效，就表明总线上有数据通过，总线处于忙状态；当两个信号都无效时，则总线处于空闲状态。2 仲裁器状态机定义_2,1,0_0=0,-0#有效，设备 0 拥有总线使用权，总线空闲_0=1,-0#有效，数据在总线上传输，总线处于忙状态_1=2,-以下类同_1=3,_2=4,_2=5,_3=6,_3=7；3 仲裁的实现由于采用循环算法，对每一个设备而言状态的变换都是相同的，下面仅以设备 0 的状态转换为例_0=!#!#&4!11=;_=_1;!22=;_=_2;!33=;_=_3;0=;&;_=_0;0=;_=_0;_0=0=;&_=_0;_=_0;为了避免线上和线上出现时序竞争，一个设备的信号有效和另一个设备的的撤销，如果不是在总线空闲状态，则两者之间至少要有一个时钟的延迟。设计中，将每个设备占用总线的状态分为两部分，_总线空闲和_总线忙；状态机不能从一个设备的_状态直接转到另一个设备的_状态，中间必须经过至少一个时钟的_状态的衔接，这样就避免了总线上竞争的出现。代码中，为一 5 位计数器，对时钟个数进行计数，用来判别设备发出请求信号后是否在规定时间内 16 个时钟，即40=10000 占据了总线，启动了数据的传输；如果超时，则撤销该设备的请求信号，并按预设的优先级顺序，对其余设备总线使用权进行新一轮的裁定。计数器的编程实现 4#0&1&2&3=0;&=+1;=0;四、仿真分析 1 单一设备总线请求情况系统初始化后自动将总线停靠于设备 0 上,总线处于空闲状态，、均为高电平。需要强调的一点是，仲裁所用的控制信号均在时钟信号的上升沿采样而得。如图 3 所示，设备 2 发出总线占用信号，仲裁器在时钟上升沿处采样到该信号，并开始启动计数，此时的、为高电平，设备 0 仍然拥有总线使用权；随后设备 2 驱动使得和有效，在时钟上升沿处，仲裁器采样到和，计数器清零，使设备 2 的 2 信号有效，从而占用总线，设备把地址、数据驱动到总线上，总线处于忙状态。之后，设备 2 撤销其 2 信号，放弃对总线的占用；接着、信号相继无效，表明数据传输的完成，总线变为空闲，仲裁器在处采样后，将总线停靠在设备 2 上。2 多个设备同时请求总线使用权以两个设备为例设备 3 首先发出请求信号，仲裁器在时钟处采样后，计数器开始计数，此时总线仍然为设备 0占用着；在时钟处的采样，检测到有效，表明数据传输的开始，仲裁器使得 3 信号有效，设备 3 获得总线所有权；在随后的一个时钟上升沿，仲裁器采样到设备 2 的总线请求信号，此时由于、依然有效，表明数据传输正在进行中，必须等当前数据传输完成后，设备 2 才能占用总线进行自己的数据传输，此时仲裁器隐含设定设备 2 拥有总线使用权。设备 3 在时钟之前使得、无效，总线进入空闲状态，停靠在设备 3 上。设备 2 检测到总线空闲，驱动自己的、信号，仲裁器在时钟处采样到有效的、信号后，使 2 有效，设备 2 占据总线，开始数据的传输。设备 2 使用完总线后，使总线回到空闲状态，停靠在设备 2 上；设备3 检测到总线空闲，再次驱动、有效，从而再次获得总线使用权时钟上升沿处。所有传输完成后，总线将停靠在设备 3 上。值得一提的是，如果设备 3 在被迫交出总线前不能完成所有数据的传输，它必须使自己的 3 信号持续有效，这样在设备 2 用完总线后，仲裁器能将使用权交回，从而完成剩余数据的传输。图 5 为设备获得总线使用权，在设定的 16 个时钟周期内没有启动传输，仲裁器状态的变换。仍以两个设备为例。五、应用进行总线仲裁器的设计，系统结构简单；配置灵活，可以根据系统的需要，对有关信号进行裁减或者扩展；在线修改方便。本设计采用的 3064 实现，并应用于所设计的系统板中。