PCI总线至UTOPIA接口控制的CPLD设计实现

摘   要： 本文采用Altera的CPLD实现了PCI总线至UTOPIA接口的逻辑转换控制，为低成本实现ATM终端奠定了基础。
引言 
EDA技术凭借其高速、方便等特点而被广泛应用于通信领域。本文采用Altera的CPLD实现了PCI总线至UTOPIA接口的逻辑转换控制，该设计再配上ATM线路成帧部件即可成为基于个人电脑的ATM终端设备，从而改善因成本较高、市场需求不足等原因而制约ATM网络终端设备发展的局面。虽然目前有许多专用芯片都可完成PCI接口的控制功能，但从节省成本，提高效率，更紧密地与支持UTOPIA2接口的线路芯片相配合考虑，我们将采用可编程逻辑器件设计这一转换控制逻辑。

图１  PCI读操作时序

图２ PCI写操作时序

图3   系统总体框图

图4  PCI读时序仿真

设计需求
PCI接口要求
PCI总线上的基本传输机制是突发分组传输，一个突发分组由一个地址周期和一个(或多个)数据周期组成。PCI支持存储空间和I/O空间的突发传输，它所有的数据传输基本上都是由三条信号线控制的：FRAME#、IRDY#和TRDY#。
PCI总线的读时序如图１所示。当FRAME#信号有效时，读传输开始，在AD[31.. 0]总线上保持有效的地址信号，同时C/BE#[3..0]上包含有效的总线命令。然后主设备停止驱动AD[31..0]总线，置IRDY#为低，表明主设备准备好接收数据。第一个数据节拍产生于第三个时钟周期。第二个时钟周期是总线转换周期，目的是为了避免主设备和从设备因竞争总线发生冲突。当主设备使FRAME#信号无效，表示当前是最后一个数据节拍。在数据节拍里，C/BE#[3..0]总线上为字节允许信号。
DEVSEL#信号和TRDY#信号是由从设备提供的，但必须保证TRDY#信号在DEVSEL#信号之后出现。数据的真正传输是在IRDY#和TRDY#信号同时有效的时钟上升沿进行的，这两个信号中的一个无效表示插入等待周期，此时不进行数据传输。例如在时钟7处，尽管是最后一个数据周期，但由于IRDY#无效，FRAME#不能变为无效，只有在时钟8处IRDY#有效后，FRAME#信号才能撤消。
PCI总线上的写操作与读操作相类似，如图2。FRAME#信号有效表示地址周期的开始。主设备在时钟5处因撤消了IRDY#而插入等待周期，但此时字节使能信号不得延迟发送。从设备在时钟5、时钟6和时钟7插入三个等待周期。AD[31..0]总线在地址周期后没有像读操作那样插入转换周期，这是因为地址和数据都是由主设备发出的。

图5  PCI 写时序仿真

图6  ADC1仿真（一）

图7  ADC2时序仿真

PCI总线支持突发式的数据传输模式，所以在数据周期有字节使能信号与之对应。信号C\BE#[3..0]在数据期表示字节使能。32bit的数据宽度分为4个字节，C\BE#[3..0]信号上低电平的位表示对应字节在这个数据期传送的是有效数据。协议建议，有效字节出现在自然位。
UTOPIA2协议接口要求
UTOPIA2协议定义了一种PHY层和ATM层之间的接口模式。在其level2的补充中允许系统工作频率为33MHz。这样就简化了PCI总线上面ATM层的设计。
UTOPIA2接口分为发送接口和接收接口。在发送接口处，数据流从ATM层流向PHY层；接收接口处，数据流从PHY层流向ATM层，两个接口都由ATM层控制。发送接口的数据由TXDATA[8..0]传送，TXSOC有效表示正在发送信元的头字节,只有TXENB*有效时PHY层才接收数据。
TXFULL*/TXCLAV由PHY层驱动。以字节为单位传输时，TXFULL*有效表示PHY在4个写周期之后将不再接收数据；以信元为单位传输时，TXCLAV无效表示在当前信元发送完成之后PHY将不再接收新的信元。接收接口主要由RXDATA[8..0]、RXENB*和RXEMPTY*/RXCLAV组成，它们之间的逻辑关系和发送接口类似。

设计实现
逻辑设计
适配卡的数据传输部分的功能是提供PCI接口的数据传输控制，同时实现UTOPIA2接口的数据传输控制，如图3所示。
设计实现主要包括三个主要部分：内部数据缓存部分、PCI接口数据控制部分和UTOPIA2接口数据控制部分。发送数据在PCI控制部分的控制下送入数据缓存区，又在UTOPIA2控制模块的控制下送入ATM成帧器，通过线路输出；接收数据由ATM成帧器送入数据缓存区，在PCI逻辑控制下读入主处理机。
两个FIFO组成系统的第一部分，由它们负责对数据的缓存。其中下行FIFO缓存从PC到ATM网络的数据，反向数据由上行FIFO缓存。器件选用IDT公司的IDT72T1895。芯片容量128K，数据宽度9bit，最高工作频率可达225MHz，符合系统要求。这里利用的是其基本的先入先出功能，两端口采取异步工作模式。
PCI接口逻辑模块是系统的第二部分。它负责与PCI总线上的控制信号交互，同时分别控制下行FIFO的数据写入和上行FIFO 的数据读出。
因为PCI总线定义的数据宽度是32bit，UTOPIA2总线的数据宽度是8bit，所以需要宽度匹配，使PCI送来的32bit宽度数据以8bit宽度串入缓存，反向流动的数据完成相反的变换。这一过程由该模块中的并/串变换单元完成。并/串变换单元逻辑上由8个74194移位寄存器组成。把32bit宽的PCI数据分为4个字节，每个字节对应位占用一个194，4个字节复用8个194。194的时钟频率是总线频率的4倍，即132MHz，这样才能保证数据不会丢失。
UTOPIA2接口逻辑模块是系统的第三部分。它由ADC1和ADC2两个子单元组成。ADC1实现UTOPIA2接口的发送数据逻辑，同时控制数据从下行FIFO读出。ADC2实现UTOPIA2接口的接收数据逻辑，并控制数据写入上行FIFO。
时序验证
数据传输控制的设计环境是Altera公司的MAXPLUSⅡ,器件选用MAX7000E系列的EPM7128ELC84-7。
首先对时序仿真中用到的系统内部信号进行说明：
wen：FIFO写数据端口使能，低电平允许数据写入FIFO。
ren：FIFO读数据端口使能，低电平允许数据读出FIFO。
pae：低电平表示FIFO空。
paf：低电平表示FIFO满。
EREN: 所选用的FIFO芯片的输出信号提示。它与数据是完全同步的。
SHUJU:一组辅助信号，模拟数据的输出，255是无效值。
count：ADC1内部变量，表示信元已传送的字节数。
(1)PCI接口数据传输部分仿真
图4是读操作时序仿真图。16ns处是地址期，80ns是第一个数据期。144ns处PDC发现irdy*无效，立即使ren置高(使上行FIFO停止输出)。176ns是最后一个数据期。
PCI总线的写时序仿真见图5。与读时序类似，240ns处是地址期，304ns时是第一个数据期。由于在336ns时下行FIFO满(paf=0)，所以最后一个数据期在400ns时刻出现。
从时序图可以看到，PCI接口进行数据传输时，两个FIFO是互斥的，不会出现干扰。
(2)UTOPIA2接口时序
图6是对数据发送部分的仿真。
时钟45ns处，ADC1发现TXCLAV有效，此时FIFO可读出，所以置ren为“0”。时钟75ns处FIFO发现这个变化，开始传数，ADC1也在这个时候使TXENB*有效。在时钟285ns处，FIFO通过flag告诉ADC1不能再输出数据，ADC1立即使ren为“1”，但是数据“7”已经上线路，所以TXENB*会一直保持有效,直到下一个时钟上升沿(315ns)。
图7显示了在UTOPIA2接口，ADC2控制信元接收开始和结束的时序关系。
需要说明的是：从时序图可以看到，在UTOPIA2接口设计实现时，所有接收数据的时序器件都应该在系统时钟的下降沿采集数据，比如发送操作中的PHY层设备、接收操作中的上行FIFO。如果它们的时钟是系统时钟取反，则可以统一定义在上升沿采集数据。

结语
本文介绍了一个把EDA技术运用到通信领域的一个实例，这个设计利用CPLD实现了PCI控制以及PCI接口至UTOPIA2接口的转换，为高效、低成本地使PC成为ATM网络终端设备奠定了基础。从时序图看，完全符合设计需求。这种利用EDA技术实现ATM网络终端设计简单、成本不高、灵活性强，并且可以很方便地移植到其它可编程器件上，具有较强的实用价值和经济价值。