基于FPGA的PCI接口逻辑和其他用户逻辑的集成系统设计

O 引言

    目前市面上有多种数据采集卡，但其应用都具有一定的局限性，不可能完全满足用户的需求。本文介绍的数据采集卡可应用于某视频图像采集系统中，数据源发送多路同步串行数据，然后经过数据采集卡传入上位机用以进行后续分析。上位机向外写控制字并转换后以异步串行方式输出。用以控制视频图像的采集。本系统将PCI接口逻辑和其他用户逻辑集成于一片FPGA中，因而大大节省了资源，便于进行串口扩展及其他功能的添加，性能良好，用途广泛。

1 PCI总线

    PCI总线是一种高性能的局部总线，具有32位可升级到64位的、独立于CPU的总线结构。工作频率为33／66 MHz，最高传送速度可达132 MB／s(32位、33 MHz)或528 MB／s(64位、66 MHz)。
    PCI总线定义了Memory(存储器)空间、I／O(输入／输出)空间和配置空间3种地址空间，并具有两种工作模式：其中主模式下的PCI设备具有总线控制权，可以实现DMA传输；而被主设备控制进行通信的称为从模式(TARGET)。
1．1 PCI总线的配置空间
    所有的PCI设备都必须实现配置空间，该空间分为首部区和设备有关区。首部区中的强制性寄存器有：供应商代码(Vendor ID)寄存器用于标明设备制造商)，设备代码(Device ID)寄存器(用于指明特定的设备，它由供应商分配)，版本识别(Revision ID)寄存器，首部类型(He-ader Type)寄存器和类别寄存器(Class Code)。以上五个寄存器均可用于PCI总线上设备的识别。另外，首部区中还有两种必须实现的寄存器：其中命令寄存器用于存放PCI命令，而设备状态寄存器则用于记录PCI的状态信息。
    操作系统在启动时应判断系统中有多少存储器、以及I／O设备需要多少地址空间，然后建立统一的地址映射关系，这时的PCI设备需要用到基地址寄存器。另外，若要实现中断，还必须设置中断引脚(Interrupt Pin)寄存器和中断线(Interrupt Line)寄存器。
1．2 PCI总线的中断机制
    PCI总线的硬件中断方式分为边沿触发和电平触发，PCI设备为低电平触发(level-sensitive)。PCI总线上有4条中断请求信号线：INTA ，中断引脚寄存器的值01H～04H分别对应4条中断线，单功能PCI设备只能使用INTA#。此外，使用了中断引脚的设备还必须实现中断线寄存器。POST例程(加电自检测程序)在进行系统初始化和配置时还要将中断线信息写入该寄存器。PCI总线中断是可以共享的，这一方面解决了中断资源紧张的问题，但另一方面也会给PCI中断的实现带来麻烦。

2 系统硬件实现

2．1 PCI配置寄存器的设置
    Altera公司的PCI编译器(PCI Compiler)提供有使用Altera器件实现PCI接口设计的完全解决方案。其中包括4种PCI接口兆核函数(PCI IP)及相关测试平台。
    通过PCI编译器的IP工具台或直接编辑生成的兆核函数头文件可以设置并修改PCI的配置空间信息，本系统的主要配置信息如下：

 
2．2 PCI T32兆核函数的内部结构及外围信号
    PCI Compiler提供的四种PCI IP包括PCI_M64／32、64／32位的主模式接口和PCI_T64／32、64／32位的从模式接口。本系统通过PCI接口与PC机传输32位数据，并由上位机应用程序控制系统工作。故该系统工作于32位从模式，即本系统的PCI接口使用PCI_T32模块来实现，该模块的内部功能及外围信号如图1所示。 

参数配置寄存器(Parameterizde Configuration Registers)是符合PCI规范的所有配置的寄存器，可用于识别设备、控制PCI总线功能、提供PCI总线状态等，PCI侧从模式控制模块(PCI Target Control)用于控制PCI_T32与PCI总线的各种操作，而用户侧从模式控制模块(Local Target Control)则用于控制PCI_T32与用户逻辑的各种操作。
    PCI_T32上PCI总线一侧的信号是符合PCI协议的标准信号，该信号Local侧的信号为Altera PCI IP特有的与用户逻辑接口的信号，起着关键作用。其中：
    l_adi[31：0]为地址／数据输入信号；
    l_dato[31：0]为数据输出信号；
    l_adro [31：0]为地址输出信号，读操作时，可将PCI侧地址／数据信号AD[31：0]上的第一个有效周期(即地址期)的数据输出；
    l_emdo[3：0]为命令输出信号，其位定义及时序符合PCI规范，其为0010时为I／O读操作，为0011时为I／O写操作、为0110时为内存读操作。为0111时为内存写操作，为1010时为配置空间读，为1011时为配置空间写，用户对这组信号进行译码可知其当前PCI总线上设备的操作情况；
    l_irqn为用户中断请求信号，由于PCI总线为低电平中断，所以，用户逻辑若要发出PCI中断请求，就必须将低脉冲送入l_irqn。实验证明，低脉冲持续时间须在4～8μs之间，持续时间过短会出现丢失中断现象，而时间过长时，操作系统又会重复响应同一个中断请求；
    l_tsr[11：0]可用于控制local目标设备状态寄存器，其中D0～D5位分别对应BAR0～BAR5，哪位有效代表哪个BAR被选中；
    l_dxfrn为输出信号，表示local目标设备数据传输成功。
2．3 FAGA逻辑设计
    一个数据采集系统若要稳定可靠地采集数据，都需要设置合适的数据缓冲区，本系统的数据缓冲区由FPGA内部IP核实现。图2所示为FPGA内部的PCI接口及数据缓冲区框图。