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PCI总线仲裁器的设计与实现

发布时间:2020-07-21 17:57:28 阅读: 来源:有机肥厂家

作者Email: jie_yi@ 摘要:基于Altera的CPLD器件的PCI总线仲裁器设计,实现仲裁器的AHDL编程,并结合仿真结果对PCI总线的仲裁进行了论述。

关键词:PCI仲裁器,CPLD,仿真

PCI总线仲裁器通常是集成在PCI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CPLD技术实现的独立的PCI总线仲裁器,则较好的适应了这方面的需求。

一pPCI总线仲裁机制

PCI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(PCIreqN),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(PCIgntN)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PCI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PCI总线,也没有设备请求使用PCI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PCIgntN是有效的。而在此之后,仲裁器总是指定PCI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AHDL语言,在MaxplusII 10.0上编译通过,并进行了仿真。

1.仲裁器信号定义

SUBDESIGN PCI_arb( -- 输入PCIclk :INPUT -- PCI时钟 Arbiter_rstN :INPUT -- 复位信号 PCIreqN[3..0] :INPUT -- 总线占用请求信号 frameN :INPUT -- 数据交易的启动或开始,主设备发出 irdyN :INPUT --交易数据准备好,主设备发出 -- 输出 PCIgntN[3..0] :OUTPUT -- 总线占用允许信号 )

frameN和irdyN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parb_sm : MACHINE OF BITS ( PARB2 , PARB1 , PARB0 ) WITH STATES ( PARB_SLT0 = 0, -- PCIgnt0#有效,设备0拥有总线使用权,总线空闲 PARB_SLT0D = 1, -- PCIgnt0#有效,数据在总线上传输,总线处于忙状态 PARB_SLT1 = 2, -- 以下类同 PARB_SLT1D = 3, PARB_SLT2 = 4, PARB_SLT2D = 5, PARB_SLT3 = 6,PARB_SLT3D = 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: 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; 为了避免AD线上和PAR线上出现时序竞争,一个设备的PCIgntN信号有效和另一个设备的PCIgntN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,PARB_SLTx(总线空闲)和PARB_SLTxD(总线忙);状态机不能从一个设备的PARB_SLTxD状态直接转到另一个设备的PARB_SLTyD状态,中间必须经过至少一个时钟的PARB_SLTx状态的衔接,这样就避免了总线上竞争的出现。

代码中,PARBtout为一5位计数器,对PCI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PARBtout[4..0] = 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:

IF ( PARBtout4 # PCIreqN0 PCIreqN1 PCIreqN2 PCIreqN3 ) THENPARBtout [ ] = 0; ELSIF ( frameN irdyN ) THEN PARBtout [ ] = PARBtout [ ] + 1; ELSE PARBtout [ ] = 0; END IF;

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,frameN、irdyN均为高电平。需要强调的一点是,仲裁所用的PCI控制信号均在PCI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A处采样到该信号,并开始启动PARBtout计数,此时的frameN、irdyN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frameN和irdyN有效,在时钟上升沿B处,仲裁器采样到frameN和irdyN,计数器清零,使设备2的PCIgntN2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PCIreqN2信号,放弃对总线的占用;接着frameN、irdyN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C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A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B处的采样,检测到frameN有效,表明数据传输的开始,仲裁器使得PCIgntN3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frameN、irdyN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C之前使得frameN、irdyN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frameN、irdyN信号,仲裁器在时钟D处采样到有效的frameN、irdyN信号后,使PCIgntN2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frameN、irdyN有效,从而再次获得总线使用权(时钟上升沿F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PCIreqN3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CPLD进行PCI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Altera的EPM3064实现,并应用于所设计的系统板中。

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