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PCI总线协议的FPGA实现及驱动设计

　　摘要：采用FPGA技术，在ALTERA公司的FLEX6000系列芯片上实现了从设备模式PCI总线的简化协议，并给出了Windows9x系统下的虚拟设备驱动程序，提供了与应用程序的接口。实现结果表明：该设备结构灵活，功能可靠，有利于与其它模块实现单片集成应用。本系统已应用在数据采集和处理、图像处理等方面。
关键词：PCI总线协议 现场可编程门阵列 虚拟设备驱动
目前，许多公司都提出了新型的计算机高速总线，如Arapahoe总线标准和HyperTransport技术，但各协议互不兼容，没有形成统一标准。作为传统的通用局部总线，PCI总线仍然占据着主流个人电脑市场，具有顽强的生命力。
现在市面上存在着各种PCI接口芯片，如AMCC公司的S5933，PLX的9080系列等。专用芯片可以实现完整的PCI主设备与从设备模式的接口功能，将复杂的PCI总线接口转化相对简单的用户接口，但系统结构受接口芯片的限制，不能灵活地设计目标系统，且成本较高。本文使用符合PCI电气特性的FPGA芯片进行简化的PCI接口逻辑设计，实现了33MHz、32位数据宽度的PCI从设备模块的接口功能，节约了系统的逻辑资源，且可以将其它用户逻辑集成在同一块芯片，降低了成本，增加了设计的灵活性。另外，还给出了Windows9x系统下的设备驱动程序，可以与应用程序接口，形成一个完整的系统。目前，本系统已经被印染企业应用在数据采集和处理等方面。
1 系统构成与功能描述
系统的总体框图如图1所示。
由图1可见，系统的硬件平台为一块PCI卡。此卡的结构十分简洁，主要由FPGA芯片、RAM芯片和输出接口三部分组成。其中，FPGA芯片集成了PCI接口模块和数据处理模块。PCI接口模块实现了33MHz工作时钟、32位总线宽度的接口功能，支持I/O空间、内存空间及配置空间的读写和PCI中断功能。由于简化的PCI接口占用的逻辑资源较少，可在同一块芯片中集成其他用户逻辑。作为一个应用实例，本文加入了一个数据处理模块，对PCI接口传送来的数据进行处理，通过片外的输出接口输出到下位机。RAM芯片为数据处理提供缓存功能。

2 从设备模式下的简化PCI协议的实现
为了实现PCI接口的基本功能，必须完成以下几个模块
PCI配置空间设置。PCI协议支持三种地址空间：I/O空间、内存空间和配置空间。配置空间提供了支持PCI设备自动配置的机制，是必需的。
PCI从设备状态机。PCI总线状态机是具有PCI总线的计算机系统状态流，是由一个已知状态到另一个状态的条件、时序的描述。这是PCI接口设计中最基本也是最重要的部分。
地址译码和命令译码。地址译码用来确定PCI设备是否应当响应当前总线的操作；命令译码则用来指示PCI设备根据不同的总线命令作出相应的动作。
本文采用ALTERA公司的Max+PlusII软件平台，硬件描述语言使用ALTERA HDL语言，也可以方便地转换民VHDL或VerilogHDL语言。在此之前，先引入PCI总线信号的定义。
总线信号定义
根据PCI总线协议版，从设备模式下PCI接口至少包含47根引脚。图2给出了按功能划分的引脚分布，左边是必需引脚。右边是可选引脚。为简化起见，本文采用了如下引脚，其他引脚均不使能或置为高阻态。
由系统提供的33MHz的同步时钟信号CLK和复位信号RST#；
关于数据传输的核心信号：32位地址/数据复用线AD[31:0]、总线命令/字节使能复用线C/BE[3:0]#和偶校验信号PAR；
接口控制信号FRAME#、TRDY#、IRDY#、STOP#、DEVSEL#和IDSEL。其中，FRAME#为数据传输起止信号，TRDY#为主设备准备好信号，IRDY#为从设备准备好信号，STOP#为从设备停止请求信号，DEVSEL#为设备选择信号，IDSEL为配置空间读写时的片选信号；
中断引脚INTA#。
为简化PCI协议，本文只实现了最重要的总线命令，表1给出了所支持的总线命令对应的C/BE[3:0]#编码值。
表1 支持的总线命令C/BE[3:0]#命令类型说明0010
0011
0110
0111
1010
1011I/O读
I/O写
存储器读
存储器写
配置空间读
配置空间写
配置空间设置
配置空间大小为256字节，前64字节必需，记录了PCI设备的基本住处，比较重要的有
VendorID、DeviceID和Class Code域：分别表示设备的生产厂商、设备编号和类型；
Command和Status域：分别给出了对PCI设备的控制命令和当前状态；
Base Adress Register域：指示此PCI设备按I/O方式还是内存方式进行读写以及需要的地址空间大小；
Interrupt Line和Interrupt Pin域：分别指明了设备使用的断号和中断引脚。
在对配置空间的访问中，用AD[7:2]寻址一个双字DWORD。在本设计中，配置空间设置如表2所示。
简化的从设备状态机
在PCI协议中，标准的从设备状态机包含五种状态，而且各状态的跳转条件比较复杂。本文在不违反PCI协议的前提下，简化了从设备的状态机，如图3所示。
图3中，状态转移条件信号a、b、c定义a代表配置空间访问条件,b代表I/O空间或内存空间访问条件，c代表总线传输开始条件。这三个条件的实现由后面的命令译码模块给出。
表2 配置空间设置字 段值或含义字段值或含义VendorID1172Class Code040000，即视频卡DeviceID
　　8901Base Adress Register映射到I/O空间Command0082Interrupt Line中断号AStatus0400Interrupt Pin使用INTA中断引脚
IDLE是系统的缺省状态，表示总线当前空闲。通常，设备处在IDLE状态时，要检测来自PCI总线和后级设备的信号，便设备作出合适的响应。设备处于S_DATA状态时完成第一次数据传输，直接无条件跳到BACKOFF状态。设备在BACKOFF状态时进行多个数据传输，直到主设备断开访问。需要注意的是：任何对I/O空间、配置空间以及内存空间的突发传输的地址超过了设备映射地址的范围时，从设备要在此状态建立STOP信号，断开访问。当帧信号无效或主设备终止传输时，设备回到初始的IDLE状态。BUS_BUSY状态时总线忙，表示总线正在被其它设备使用。有两条转移路径，若总线仍然被占用，则停留在BUS_BUSY状态，否则返回空头状态IDLE。
地址译码和命令译码模块
地址译码模块主要检测PCI地址与本PCI卡的基地址是否匹配，可以通过AD[31:00]信号线上的值与设备的基地址作比较判断。如果PCI地址落在设置的基地址范围内，则PCI卡响应当前的总线操作。
命令译码模块指示PCI卡响应不同的总线命令，通过检测C/BE[3:0]#信号线上的值，与表1列出的总线命令作比较，完成命令译码。

3 Windows9x系统下驱动程序的设计
对PCI设备而言，驱动程序提供了获取PCI卡的配置空间信息、勾挂PCI中断、总线数据传输等功能。本文介绍使用Numega公司的VtooIsD软件进行驱动设计的方法。
寻找PCI卡并读取配置空间信息
配置空间包含了系统初始化PCI设备所必需的信息，首先需要遍历整个硬件树结构来寻找指定的PCI设备。对于每一个设备，比较其厂商号和设备编号，如果与设计的PCI卡的信息匹配，则读取它的配置空间信息。
I/O方式下的读写操作
I/O方式下的读写比较简单。在得到PCI设备基地址信息后，通过C++语言中的端口读写函数inpd和outpd即可完成。举例
Temp=_inpd(gBaseAddresses);//Temp中得到读出的数据
_outpd(gBaseAddresses,Data)；//向基地址写入数据
其中，gBaseAddresses为基地址值，Data为写操作时的数据。
内存方式下的读写
对于内存方式下的读写，一个重要问题就是地址的映射。因为硬件设备读写的是物理内存，但应用程序读写的是虚拟地址，所以存在着将物理内存地址映射到用户程序线性地址的问题。
映射功能通过调用VtoolsD软件的标准库函数完成。根据给定的物理地址和所要求的空间大小，在系统内存中分配相应空间。首先，用PageReserve函数分配当前保留页的线性地址空间，再利用PageCommitPhys函数的服务对开始的线性地址空间分配相应的物理地址空间。程序
ULONG nPages=_NPAGES_(PhysAddress,SizeInByte)；
Linear=PageReserve(PR_SYSTEM,nPages,PR_FIXED);
PageCommitPhys(PAGENUM(Linear),nPages,PAGENUM
(PhysAddress),PC_INCR|PC_WRITEABLE|PC_USER);
LinPageLock(PAGENUM(Linear),nPages,0);
其中，PhysAddress为给定的物理地址，SizeInBytes为需要的空间大小。
建立了物理RAM到系统内存的映射后，就可以利用C++语言中的文件操作基类CFile类完成数据的读写。首先使用CFile类的成员函数Open打开文件，为保证数据读写的准确无误，必须使用二进制方式打开；接下来使用Read和Write成员函数进行文件读写；完毕后用Close成员函数关闭文件。
中断的勾挂和处理
首先在ON_DEVICE_INIT函数中完成中断的初始化。即通过前面读取的PCI设备的中断号，使用VPICD_Virtualize_IRQ函数进行中断勾挂，外调用VPICD_Physically_Unmask函数开中断。
RTCIRQHandle=VPICD_Virtualize_IRQ(&IRQdesc)；
VPICD_Physically_Unmask；
然后在RTCInt_Handler函数中进行中断处理，可以进行各种操作，例如向应用程序发送自定义的消息来通知中断的发生。

　与应用程序的通信
一般地，应用程序通过CreateFile函数调用VxD驱动程序，得到一个VxD的文件句柄。使用如下的语句可以打开一个名为的文件，得到的句柄保存在hVxD中。
hVxD=CreateFile(““.“,0,0,0,CREATE-NEW,FILE-FLAG-DELETE-ON-CLOSE,0)；
通过句柄hVxD和DeviceIoControl函数就可以与驱动程序进行数据传输。
本文采用ALTERA公司的FLEX6000系列芯片，型号为EPF6016TC144-3，实现了简化的从设备模式PCI协议
　　，并在Windows9x系统下实现驱动程序的设计。整个系统工作良好。资源占用情况可用I/O引脚113根，占用51根，占用率45%；可用逻辑单元数1320个，占用151个，占用率11%。
简化的PCI协议的实现占用较少的逻辑资源，可以灵活方便地进行功能添加和改进，同时可以在同一块芯片中集成其他用户模块，实现不同功能，以降低成本。目前，本系统已经应用在数据采集处理、图像处理等方面。