基于FPGA的PCI总线串口卡设计

　　随着计算机测试技术的飞速发展，越来越多的外部设备通过串口与计算机进行通信，实现信息共享以及设备的集中控制和管理。利用串口进行通信具有结构简单、传输距离远、成本低廉等优点，被广泛应用于各个领域。同时，PCI（Peripheral CompONent Interconnect）总线是一种高性能32/64位局部总线，最大数据传输速率为132 Mb/s，可同时支持多组外设，数据吞吐量大，是目前应用最广泛、最流行的一种高速同步总线。因此，利用PCI总线实现上位机与外部设备的串口通信，可以提高通信能力。

　　由于大部分I/O 设备没有PCI总线功能，要实现设备与PCI总线的连接，需要PCI接口芯片、通用异步收发器UART（Universal Asynchronous Receiver Transmitter）等。而目前开发PCI总线与外部设备的串口通信大体上有两种方式：（1）使用专用的芯片，如：PCI专用接口芯片S5920、S5933等；UART专用芯片8250、8251、16450、16550等。使用厂家提供的专用接口芯片，用户可能只使用到它的部分功能，会造成一定的资源浪费，而且专用芯片价格高。（2）使用可编程器件FPGA。使用FPGA较使用专用芯片具有以下优点：一方面用户可以根据需要进行设计，不会浪费资源；另一方面可以将PCI接口、UART都做在一片FPGA内，这样就不需要外接专门的芯片，简化了电路、缩小了体积、提高了系统的可靠性。

　　1系统硬件设计

　　本设计中选用Altera公司的FPGA芯片EP1C6SQ240作为核心器件，完成PCI接口以及UART的设计，实现PCI总线与串口的连接。选用美信公司的MAX490芯片作为电平转换电路。系统的硬件连接框图如图1所示。

　　

　　数据传输过程：上位机通过PCI总线发送并行数据到UART的数据缓存器中，然后数据经UART的数据缓存器进入UART的移位寄存器进行并串转换后，通过串口传到下位机。反之，下位机通过串口将数据传送到UART的移位寄存器中，进行串并转换，然后进入UART的数据缓存器中，最后传到上位机。

　　设计中采用，传输距离长、抗干扰能力强的RS422串口。但是规定RS422：逻辑1的电平为-6 V～-2 V；逻辑0的电平为+2 V～+6 V。而FPGA的I/O电平一般为0～3.3 V，二者之间的电平不兼容。为了使二者之间的供电电压保持一致，必须加入电平转换电路。为此选用美信公司的MAX490芯片来实现二者之间的电平转换，其电路原理图如图2所示。

　　

　　1.1 PCI总线接口

　　PCI总线接口的功能是将一个不支持 PCI 协议的后端设备接口到PCI 总线上。为了实现PCI总线接口的基本功能，必须完成如下模块的设计：PCI空间配置模块、偶校验模块、地址译码和命令译码模块、设备状态机模块等。PCI总线接口原理框图如图3所示。

　　

　　1.1.1 PCI空间配置模块

　　PCI协议支持3种地址空间：I/O空间、内存空间和配置空间。配置空间是PCI所特有的一种空间，其大小为256 B，前64 B是必需的，记录了PCI串口设备的基本信息。PCI设备的一些主要的信息如下：

　　（1） VendorID、DeviceID：分别表示设备的生产厂商和设备编号。

　　（2） Command：命令寄存器，包含设备控制位，包括允许存储器读写响应等。

　　（3） STatus：状态寄存器，记录PCI总线的相关事件信息。

　　（4） Base Adress Register：基地址寄存器，指示此PCI设备按I/O方式还是按内存方式进行读写以及需要的地址空间大小。

　　（5） Interrupt Line、Interrupt Pin：为设备使用的中断号和中断引脚。

　　1.1.2 偶校验模块

　　PCI总线的偶校验用于检验数据传输是否正确。在PCI总线上，利用偶校验模块检查每次传输中主设备是否正确地寻址到目标设备，以及它们之间的数据是否正确地传输。

　　1.1.3 地址译码和命令译码模块

　　地址译码模块主要用于检测地址与此PCI串口设备的基地址是否匹配，如果匹配，则PCI串口设备响应当前的总线操作。

　　命令译码模块表示PCI串口设备响应不同的总线命令，通过检测PCI-cbe［3：0］信号线上的值，完成命令译码。

　　1.1.4 设备状态机模块

　　PCI总线接口电路是时序复杂的接口电路，它的复杂性由PCI总线操作的多样性决定。根据PCI的总线操作类型和总线操作时序关系，在这里抽象出一种简洁明了，符合总线时序、更易于硬件描述语言实现的状态机。总线接口状态机示意图如图4所示。状态机的设计是整个设计的核心部分，利用该状态机可以完成配置寄存器、存储器、I/O的读写操作。

　　

　　状态机包括4个状态：空闲（idle）状态、配置读写（con）状态、存储器或I/O读写（rw）状态、传输中止（backoff）状态。系统复位后，状态机转入空闲状态，在空闲状态中采样总线，并根据总线的变化来决定状态机即将转入的状态。如果此时命令总线上是配置寄存器读写命令，判断PCI-irdy信号是否有效来决定下一可能的状态。如果信号无效，则状态机转入传输中止状态，然后返回空闲状态；如果信号有效，则状态机转入配置读写状态。如果此时命令总线上是存储器或者I/O的读写命令，则判断PCI-frame信号是否有效来决定下一可能的状态。如果信号无效，状态机转入传输中止状态，然后返回空闲状态；如果信号有效，状态机转入存储器或I/O读写状态。