（计算机应用技术专业论文）pci+ahb+bridge的设计与实现.pdf

摘要 摘要 p c i 总线作为迄今为止速度最快的并行总线之一，被广泛应用于个人电 脑、工业控制计算机等领域。并且由于其高效、稳定以及操作系统对其广泛的 支持，因而在芯片级设计中，往往使用p c i 总线作为主机调试接口。 随着嵌入式系统功能的日益强大，a r m 系列c p u 被广泛应用于嵌入式系 统芯片设计中。a r m 采用a h b 总线作为其数据传输的总线标准，该总线支持 多个主设备和从设备，总线操作使用二级流水。 在使用a r mc p u 并附带p c i 接口的嵌入式系统芯片设计中，p c ia h b b r i d g e 就成为了必不可少的接1 ：3 模块之一。本文首先介绍了p c i 和a h b 总线 的特点、总线信号、总线命令以及各种总线操作的时序，之后介绍了p c ia h b b r i d g e 的体系结构，以及其仿真环境和验证环境的设计。 本文主要进行桥芯片体系结构的研究，在同一个桥芯片中集成两种不同的 桥设计结构。p c ia h bb r i d g e 有两个方向的通道，即p c i 到a h b 方向的正常 通道和a h b 到p c i 方向的d m a 通道，因而我们在每个通道中各实现一种桥芯 片的设计方法，体现了桥芯片设计方法和体系结构的多样性。 p c ia h bb r i d g e 的验证环境也是本论文着重讨论和研究的地方，它用以 查找设计中存在的种种错误，保证设计的正确性和健壮性。p c ia h bb r i d g e 的 验证环境包括软件仿真环境以及基于f p g a 的硬件验证环境两个部分。 本论文完成了p c ia h bb r i d g e 的设计，采用v e r i l o g 对其进行了r t l 级 的描述；设计了对其进行测试所需要的仿真环境的结构；在仿真环境下通过了 对p c ia h bb r i d g e 所进行的功能仿真；设计了基于f p g a 的硬件验证环境的 基本结构；并在该验证平台上完成了验证工作。 【关键词】p c i ，a h b 。总线桥芯片i 体系结构，仿真，验证，f p g a 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t a so n eo ft o d a y sf a s t e s tp a r a l l e lb u s ，p c ii sw i d e l yu s e di nt h ef i e l d so f p e r s o n a lc o m p u t i n ga n di n d u s t r i a lc o n t r 0 1 s i n c e i ti sh i g h l ye f f i c i e n t ，s t a b l e a n df u l l ys u p p o r t e db ya l lk i n d so fo p e r a t i n gs y s t e m s ，p c ii sa l s ou s e da sh o s t d e b u gi n t e r f a c ei nc h i pl e v e ld e s i g n w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe m b e d d e ds y s t e m s ，a r mc p u i sw i d e l y u s e di nt h ec h i pl e v e ld e s i g no fe m b e d d e ds y s t e m s a r mu s ea h bb u sa si t s s t a n d a r do fd a t at r a n s f e r a h bs u p p o r t sm u l t i m a s t e ra n dm u l t i s l a v e ，a n d u s e sp i p e l i n e i ne m b e d d e ds y s t e mc h i p st h a th a v ep c ii n t e r f a c ea n du s ea r mc p u ， p c ia h bb r i d g ei sa b s o l u t e l yn e c e s s a r y i nt h i sa r t i c l e ，w ef i r s ti n t r o d u c ep c i a n da h bb u ss i g n a l s c o m m a n d s ，a n dv a r i o u so p e r a t i n gs e q u e n c e s ，f o l l o w e d b yp c ia h bb r i d g e ss y s t e ma r c h i t e c t u r e ，s i m u l a t i o ne n v i r o n m e n ta n df p g a - b a s e dv e r i f i c a t i o ne n v i r o n m e n t t h i st h e s i se m p h a s i z e st h er e s e a r c ho fb r i d g ec h i p ss y s t e ma r c h i t e c t u r e a n di n t e g r a t e st w od i f f e r e n ta r c h i t e c t u r e si no n ed e s i g n p c ia h bb r i d g eh a s t w oc h a n n e l sw i t hd i f f e r e n td i r e c t i o n s s ow ec a ri m p l e m e n td i f f e r e n t a r c h i t e c t u r ei ne a c hc h a n n e l ，w h i c hr e p r e s e n t st h ev a r i e t yi nb r i d g ed e s i g n ， t h ev e r i f i c a t i o ne n v i r o n m e n to fp c ia h bb r i d g ei sa n o t h e rk e yi s s u eo f t h i st h e s i si tc a nb eu s e dt oe n s u r et h ed e s i g nt ob ev a l i da n dr o b u s t p c i a h b b r i d g e sv e r i f i c a t i o ne n v i r o n m e n ti sc o m p r i s e do fs i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t a n df p g ab a s e dv e r i f i c a t i o ne n v i r o n m e n t w ec o m p l e t et h ed e s i g no fp c ia h bb r i d g e ，u s i n gv e r i l o gt od e s c r i b e r t l ，d e s i g nt h en e c e s s a r ys i m u l a t i o ne n v i r o n m e n tf o rt e s t i n gp u r p o s e sa n d v e r i f yt h ep c ia h bb r i d g ef u n c t i o n su n d e rt h es i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t ；d e s i g n t h eb a s i ca r c h i t e c t u r eo ff p g ab a s e dv e r i f i c a t i o ne n v i r o n m e n t ；a n df i n i s ht h e e m u l a t i o ni nt h ev e r i f i c a t i o np l a t f o r m k e yw o r d s ：p c ib u s ，a h bb u s ，b r i d g e ，a r c h i t e c t u r e ，s i m u l a t i o n ，v e r i f i c a t i o n f p g a i i 北京工业大学工学硬士学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：盈2 2 盈茏堡扫日期：丝堕。乏! 墨 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：壅! ! 题址孟扔导师签名：i 趁日期：碰； 第l 章绪论 1 1 课题的背景与来源 第1 章绪论 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 作为今天计算机科学中最为热门的技 术之一，己经渗透到日常生活中的各个方面，在工业、服务业、消费电子等领 域的应用范围不断扩大。它以计算机技术、：苍片技术和软件技术为核心，形成 了通信、计算机、消费电子技术( 3 c ) 台一的趋势，无所不在的网络和无所不 在的计算( e v e r y t h i n gc o n n e c l i n g ，e v e r y w h e r ec o m p u t i n g ) 正在将人类带入4 个崭新的信息社会。 今天的嵌入式系统已经发展到了s o c 时代，市场上许多的消费类电子设 备，如3 g 移动通信设备、数字电视、m p 3 播放器、数码相机等产品都需要进 行百万门级的集成电路( i c ，i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 设计。这些产品都要求设计时 间、投放市场时间( t i m e - t o m a r k e t ) 尽量短，还要求开发过程可预测、制造 风险尽量小、质量尽可能高。在这种情况下，传统的原理图设计方法已经不能 够满足设计需求，而以l p 复用为基础的片上系统( s o c ，s y s t e m o n c h i p ) 设 计得到了越来越广泛的应用，并逐渐成为集成电路设计的主流。 1 1 1s o c 与j p 复用 作为嵌入式系统发展的重要方向，随着半导体_ _ 艺技术的发展，2 0 世纪 9 0 年代中期，s o c 设计技术诞生了。i c 设计者能够将愈来愈复杂的功能集成 到单硅片上，s o c 正是在集成电路( i c ) 向集成系统( i s ) 转变的大方向下产 生的。从狭义的角度讲，s o c 是信息系统核心的芯片集成，是将系统关键部件 集成在一块芯片上；从广义角度讲，s o c 是一个微小型系统。国内外学术界一 般倾向于将s o c 定义为将微处理器、模拟i p 核、数字i p 核和存储器( 或片外 存储控制接1 ：3 ) 集成在单一芯片上。直观的讲，s o c 就是将系统的全部功能模 块集成到一块芯片上，包括c p u 、d s p 、i o 接口电路、存储器，硬件加速单 元等，在某些应用中还包括模拟电路以及射频电路。 北京工业大学工学硕士学位论文 到今天为止，s o c 已逐渐成为计算机科学和微电子技术发展的热点，专家 们对s o c 的定义也已经达成了比较一致的意见，虽然这个定义在形式上不那么 严格，但是它明确了s o c 的内涵和表征。一般认为，一块芯片如果具备以下特 征的话，即可以称其为s o c 。这些特征包括： 夺实现复杂系统功能的v l s i ； 夺使用一个或多个嵌入式处理器或数字信号处理器； 夺主要采用第三方的i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 核进行设计： 夺具各外部对芯片进行可编程的功能； 夺采用深亚微米工艺技术。 提到s o c 就不能不提到f p 。在强人的商业压力下，设计公司想要极人地 提高s o c 的生产效率，就必须尽可能多地使用现有的电路模块，甚至从其它公 司获得所需要的i p 核。然后再将这些合适的i p 模块通过某种方式拼装成符合 一定功能需求的系统芯片。这就是l p 核的复用技术( t pr e u s e 。 i p 是i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y 的简写，即知识产权，它是一种预先设计好的 已经通过验证的具有某种确定功能的集成电路组件或设计单元。j p 核在s o c 设 计中占有非常重要的地位，它可以分为三种类型：软核( s o f tc o r e ) 、固核 ( f i r mc o r e ) 和硬核( h a r dc o f e ) 。 软核只完成寄存器传输级( r e g i s t e rt r a n s f e rl e v e l ，r t l ) 的行为设计， 以h d l ( h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ，硬件描述语言) 源代码的形式提交 使用。该h d l 描述必须通过仿真验证，使用者可以用它综合出正确的门级网 表。软核不包含任何的物理信息，不依赖f 实现工艺，不受实现条件的限制， 因此具有缀大的灵活性可复用性很高。软核的另一个优点是为后续设计留有 较大空间，使用者可以通过修改源代码，使软核与自己的实际系统更好的融合 在一起。 固核比软核有更大的设计深度，它已完成了门级综合，并以网表的形式提 交使用。固核往往对应于某一特定的实现工艺，并且不易被读懂。硬核以i c 版 图的形式提交，它强烈的依赖于某个特定的实现工艺，而且对具体的物理尺寸 核性能具有不可更改性。提供硬核的同时，供应商同样要提供仿真模型，供用 户在仿真时使用。 第1 苹绪论 i p 集成的思想非常类似于计算机系统里即插即用的板卡，但实际上这一过 程并非如我们想象的那么理想。要将不同形式的i p 集成到一个s o c 系统中会 面临众多的问题。而大量来自于不同部门的独立i p “拼装”成一个完整的s o c 的工作更是要困难许多。设计方法学、接口协议、设计准则包括对电路的准确 描述以及设计风格等都会大大影响到s o c 设计的成败。如何才能更方便的复用 i p ，如何有效地把l p 集成到系统中去就成为了关键问题。 构建s o c 框架，首先要考虑的便是如何把各功能i p 模块集成起来，亦即 片内互连结构如何定义，具体来说也就是各功能模块间的相互通信问题，包括 数据格式、通信联络、时序、协议等方面；此外，在平台交付给用户进行随后 的开发，互连结构电决定用户是否能快速方便的加入自己专用的或第三方的i p 模块。对此国际上提出了许多不同的策略，但目前普遍被接受的是片上总线的 互连结构。 1 ，1 2 局部总线与片上总线技术 计算机总线是计算机各部件之间进行信息传输的公共通道。对于任何计算 机系统而言，总线都是个非常重要的部件。微型计算机系统中广泛采用总线 结构，它具有系统成本低、组织灵活、维修方便等优点。 p c 系统中与c p u 直接相连的总线叫做c p u 总线，它其实是微处理器内 部各功能单元的连线延伸到处理器外，一般工作于c p u 的工作频率。但外围器 件的工作频率无论如何也不能与c p u 的工作频率相匹配，在这种情况下局部总 线诞生了。局部总线技术是p c 体系结构发展史上的重大变革，它使外设与 c p u 和内存之间的数据交换速度得到了质的飞越。它将c p u 总线与速度相列 较低的设备隔离开来，c p u 只访问高速设备，对低速设备的访问全部交给各类 总线桥代为执行，大大提高了c p u 的执行效率。 i b mp c 问世2 0 余年，随着处理器的日新月异，c p u 处理的能力得到迅 速提升，与其相连接的铃困设备通道由于带宽相对较窄而落后于c p u 的处理能 力，不断成为整个系统的瓶颈。在这种情况下，局部总线技术也在不断创新， 由最初的p c x t 总线到i s a 、m c a 、e i s a 、v e s a ，到p c i 、a g p ，再到 e v 6 、p c i x 、u m a 、p c i - e x p r e s s 总线等。其中，p c i 总线由于高效、稳定 以及操作系统对其广泛的支持，因而得到了晟广泛的应用。而且在芯片级设计 北京工业太学工学碗士学位论文 中，也往往使用p c i 总线作为主机调试接口，通过p c i 总线向待测设备发出测 试或读写命令，在保证芯片设计正确无误之后再添加其它接口。 另一方面，随着集成电路制造技术的迅速发展，人们已经能将整个数字计 算机系统集成在单个芯片上。当芯片规模大到一定程度时，以前由多个芯片完 成的功能集成在一个芯片中，功能模块之间和总线之间的数据传输也就在芯片 内部完成，这就是片上总线( o c b ，o nc h i pb u s ) 。目前，市场上流行的片 卜总线有i b m 公司的c o r e c o n n e c t ，a r m 公司的a m b a 和s i l i c o r e 公司的 w i s h b o n e 总线。其中由于a r m 系列处理器在s o c 市场占有了绝对优势，事 实上a m b a 已经成为了片上总线的工业标准。 a m b a ( a d v a n c e dm i c r o c o n t r o l l e rb u sa r c h i t e c t u r e 先进微控制器总线架 构) 是a r m 公司为高性能爿。上微控制器定义的一套总线标准，是一种中央多 路选择器互连方案，它读数据和写数据的总线分开，完成片上数据传送。 a m b a 包括先进高性能总线( a h b ) 、先进系统总线( a s b ) 和先进外设总线 f a p b ) 。a h b 和a s b 都是高性能总线，采用高性能、高带宽系统设计，它支持 多个主( m a s t e r ) 设备和多个从( s l a v e ) 设备，a r m 公司推荐使用a h b 。a p b 实 际上是二级总线，为a h b a s b 提供一个低功耗和接口简单的扩展。它从整体 一卜说是一个从设备。a p b 通过桥与a h b a s b 连接。 片上总线与以p c i 总线为代表的局部总线有很大差别，这些差别表现在： 夺p c i 总线需要驱动电感电容负载很大的主板信号插槽和连接器，而片 上总线却不存在这个问题，它只要能够驱动片内负载很小的寄存器和 各种组合逻辑即可； 夺由于p c 主板布线资源有限，而且要考虑到f c 芯片的封装问题，冈此 p c i 总线需要尽量减少输入输出的信号线，并采用三态总线，由多个 ：占片共同驱动同一信号线以减少对布线资源的使用。丽芯片内部布线 资源充足，片上总线无须考虑总线宽度和信号线数量的问题，同样也 无须使用三态总线。 夺由于片上总线用于连接片内各i p ，而不直接与片外总线或接口打交 道，因此片上总线的设计相对较为随意，只要满足该s o c 的设计功能 需要即可。而p c i 总线作为不同厂商、不同类型芯片通信的平台，必 4 第l 章绪论 须制订严格而完备的总线协议，以避免造成双方数据传输错误的发 生。 由于p c i 总线协议与片上总线规范的种种不同，因此在进行带有p c i 总 线接口的s o c 设计时，p c i 总线与片上总线间的桥芯片就必不可少。总线桥可 以把一条总线对另一条总线的操作命令翻译成目标总线的命令格式，并按照目 标总线的协议规范在目标总线上加以执行，同时把操作结果与状态返回给操作 发起设备。 1 ，1 ，3 课题的来源 北京市嵌入式系统藿点实验室致力于民族s o c 产业的发展，采用a r m 7 系列c p u ，先后设计开发了8 0 2 1 1 b 和8 0 2 1 1 9 无线局域网芯片组。由于 a r m 采用a h b 总线，而主机接口采用p c i 总线，因而就必须设计a h bt op c i 的桥芯片 ，以保证主机和整个芯片组的正常通信。本课题正是在这种 情况下产生的。作为一个可复用的i p 核，本设计可以广泛应用于基于a r m c p u 、附带主机p c i 接口的各类s o c 产品中。 1 2 国内外研究现状 1 9 9 1 年，i n t e l 公司首先提出p c i ( p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ) 总线的概念。这是一种传输速率可以达到1 g b s 的高速并行总线。可以满足当 时g u i ( g r a p hu s e ri n t e r f a c e ) 对数据传输的速度要求，也可以实现其他高速 外部设备与主机的通信。p c i 总线独立于c p u 的系统总线，采用了独特的中间 缓冲器设计，可将显示卡、声卡、网卡、硬盘控制器等高速的外围设备通过总 线接口设备挂在c p u 总线上，打破了瓶颈，使得c p u 的性能得到充分的发 挥。 随着p c i 总线不断的发展，到目前为止，p c i 总线及其体系结构已经成为 了p c 杌的工业标准。国外越来越多的厂商和组织已经或者正在开发基于p c i 总线的产品，这些产品可以分为两大类：成品芯片以及各种类型的i p 核。 成品芯片主要是南桥和北桥芯片，即芯片组。如i n t e l ，威盛电子有限公司 ( v i at e c h n o l o g i e s ，台湾) 、华邦电子有限公司( w i n b o n dt e c h n o l o g i e s ，台 北京m 业大学工学硕士学位论文 湾) 生产的南桥和北桥芯片组。i n t e l 公司还生产p c it op c i 桥芯片，如i n t e l 2 11 5 4p c i p c i 桥。这些产品被广泛用于个人电脑和工业控制计算机的制造。 为满足s o c 的需要，国外许多公司开发了多种类型的基于p c i 总线的l p 核。如a l t e r a 公司的p c i _ am e g a c o r ea c t e l 公司的c o r e p c i ；s c i w o r x ( 德国) 公司的p c i 6 4 1 td e s i g no b j e c t ；m a x l o c k 公司的e u c o r ep c i - m 3 2 。 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e ) 公司十多年前首创了c h i p l e s s 的生产 模式，即该公司既不生产芯片也不设计芯片，而是设计出高效的i p 内核，授权 给芯片设计公司使用，芯片设计公司在a r m 技术的基础上添加自己的设计并 推出芯片产品，最后由o e m 客户采用这些芯片来构建基于a r m 技术的系统产 品。a r m 的产品是i pc o r e ，没有任何物理意义上的硬件或者软件实体。a r m 为客户提供16 3 2 位嵌入，r i s c 微控制器方案，将其r i s c 处理器授权给电 子公司使用，在便携式通讯，手持计算设备，消费类和数字化多媒体方案中， a r m 正在成为工业标准。日前全球有1 0 3 家巨型l t 公司在采用a r m 技术， 2 0 家最大的半导体厂商中青1 9 家是a r m 的用户，包括德州仪器，p h i l i p s ， i n t e l 等。 由于a r m 在嵌入式系统中的广泛应用，各个大的i p 提供厂商开发了大批 基于a h b 总线的i pc o r e ，象p c ia h bb r i d g e ，a h bu s bc o n t r o l l e r ，a h b p c m c i ab r i d g e ，c a r d b u sa h b b r i d g e 等。这些l p 按照复杂程度以及功能的 不同，售价和转让费用也各不相同。由于p c i 总线逻辑上的复杂性，其转让费 用十分昂贵，动辄以数十万美元甚至数百万美元计，令中小型企业和科研院所 难以承担。目前，国内购买a r m 授权的大学和设计公司均需要开发a h b 与 p c i 之间的桥：笛片。 本文针对s o c 设计种不同协议总线之间的连接问题进行分析与研究，并 在此基础上设计出满足两种总线协议( p c i 和a h b ) 的总线桥模块。完成这一 模块的设训和验证一方面对片上总线与计算机系统局部总线之间的连接做了实 践与尝试另一方面也为总线桥设计的一般研究方法积累了经验。 第1 章绪论 1 3 研究内容与实现方法 桥芯片体系结构的研究。本文主要进行桥芯片体系结构的研究，在同一个 桥芯片中集成两种不同的桥设计方法。由于p c ia h bb r i d g e 有两个方向的通 道，即p c i 到a h b 方向的正常通道和a h b 到p c i 方向的d m a 通道，因而我 们可以在每个通道中各实现一种桥芯片的设计方法，以体现桥芯片设计方法和 体系结构的多样性。 p c ia h b b r i d g e 验证环境的研究。p c ia h bb r i d g e 的验证环境也是本论 文需要详细讨论的地方，它用以查找设计中存在的种种错误，保证设计的正确 性和健壮性。p c ia h bb r i d g e 的验证环境包括软件仿真环境以及基于f p g a 的 硬件验证环境两个部分。 在研究方法上，本设计采用自顶向 - ( t o p d o w n ) 的设计方法。由于在现代 超大规模集成电路设计中，电路的功能越来越复杂，规模越来越大，使用原理 图的设计方法，才i 但会导致设计周期的延长，而且要耗费大量的人力物力，不 利于i p 的重复使用。因此，在现代芯片设计中，自顶向下的高层次设计方法已 经成为主流。自顶向下的设计是从系统级开始，把系统分为若干个基本单元， 然后把基本单元划分为下一层次的基本单元，直到可以直接使用元件库中的基 本单元为止。其主要流程是：先从电路的功能出发，把硬件设计分成若干个可 操作的模块，定义接口功能与时序，然后使用硬件描述语言( h d l ) 对各个模块 进行描述，并在仿真工具上进行仿真，即在理想状态下对设计进行功能上的检 查。在通过了仿真之后，就可以进行基于f p g a 的验证工作，将设计文件交给 综合l 具进行综合与优化，形成门级网表( n e t l i s t ) 。接下来使用布局布线工具 生成可下载流文件，并在验证环境中对其进行验证。 1 4 论文的安排 本论文包括作者对p c ia h bb r i d g e 及其验证环境的研究和设计工作，主 要包括以下内容： 第一章，绪论，介绍本论文研究课题的来源，国内外研究现状以及论文研 究的内容、研究方法和工作安排。 北京工业大学工学硕士学位论文 第二章，p c i 总线，介绍了p c i 总线的体系结构，信号定义的情况和p c i 总线各种操作命令的基本时序。 第三章，a h b 总线，介绍了a h b 总线的体系结构，信号定义的情况和 a h b 总线各种操作命令的基本时序。 第四章，p c ia h bb r i d g e 的设计，详细介绍了p c ia h bb r i d g e 的体系结 构，总体设计，配置空间的设计，p c id m ac h a n n e l 的设计，p c in o r m a l c h a n n e l 的设计。 第五章，p c ia h bb r i d g e 的仿真、综合与验证，介绍了p c ia h bb r i d g e 的仿真环境，综合过程中所用到的约束文件以及综合报告，以及基于f p g a 验 证环境的结构与设计。 第六章，结束语，给出了对本论文的总结以及继续开展下一步研究工作的 方向和目标。 第2 章p cl 总线 2 1 p c i 总线概述 p c i 总线由i n t e l 提出后，立即受到重视并正在被越来越多的高档微机和服 务器所采用。p c i 是一个高性能的局部总线，与c p u 时钟频率无关，它支持多 个外设，非常适用于网络适配器、硬盘驱动器、视频卡、图形加速器以及各类 外设。它有严格的规范来保证高度的可靠性和兼容性。p c i 总线从一开始就作 为一种长期的总线保证加以制定，具有广阔的发展前景。 2 1 1p c i 总线的特点 作为高性能的局部总线，p c i 可以同时支持多组外围设备。它不受制于处 理器，为中央处理器及高速外围设备提供一条高速数据通道，并可以协调各个 p c i 设备间的总线操作，提高数据吞吐量。p c i 总线有以下特点： 夺p c i 总线宽度3 2 位，可升级到6 4 位； 夺最高工作频率3 3 m h z ，支持猝发工作方式，使传输速度更高； 夺低随机访问延迟( 对从总线上的主控寄存器到从属寄存器的写访问延迟 夺 夺 夺 夺 夺 夺 夺 为6 0 n s ) ； 隐含的中央仲裁器； 多路复用体系结构减少了管脚数和p c i 部件； 对p c i 扩展卡及元件能够自动配置，实现设备的即插即用； 处理器独立，不依赖任何c p u ，支持多种处理器及将来更高性能的处 理器； 支持6 4 位地址； 允许任何p c i 主设备和从设备之间进行点对点访问； p c i 提供数据和地址的奇偶校验功能，保证了数据的完整性和准确 性。 2 1 2p c i 总线的系统结构 9 北京工业大学工学硕士学位论文 p c i 系统结构如图所示。p c i 总线处于北桥和南桥之间，c p u 通过北桥实 现对p c i 设备的控制，p c i 总线上的主设备也可以通过北桥来访问主存储器。 南桥介于p c i 总线和i s a 总线之间，负责两条总线的相互通信，并且提供中断 管理功能。 f i g u r e2 - 1p c is y s t e ma r c h i t e c t u r e 图表2 1p c i 系统结构图川 1 0 2 。2p c i 总线信号定义 按照在总线操作中所处地位的不同，p c i 总线上存在两种不同的设各，即 主设备( m a s t e r ) 和从设备( s l a v e ) 。主设备( m a s t e r ) 是一次操作的发起 者，从设备( s l a v e ) 是一次操作的承接者或者说是目标对象。一次操作只能有 一个发起者和一个接收者。但是一个设备可以在不同的操作中扮演不同的角 色，也就是说一个设备可以在一定时间段内发起一个p c i 读写命令，同时它也 可以拥有一段地址空间，在其他的时间段作为目标对象接受一个p c i 读写命 令。 p c i 总线信号对于主从设备也是不同的。主设备的输出是从设备的输入， 从设备的输出是主设备的输入。作为目标的设备最少需要4 7 根信号线，而主设 备则最少需要4 9 根线。下图是p c is p e c i a li n t e r e s tg r o u p 对p c i 信号的定 义。其中以# 为结尾的信号，代表它是低电平有效。 - - - - - 一 a d d r e s , s ( d 3 1 ：0 0 - j：a i ) 6 3 2 1) ) t ， & d a t a c , t b e f 3 型0 j # 一o c b e l t ：；4 砰 、 6 4 b 裢 一口r、- ，p a r 6 4 e x t e n s i o n -雌q 6 4 #、 1 )t w(p c i )a c k 甜攀( interface至嚣嬲三c c o m pl l a n t ，n r 一 j 勰孑 o n t r o l j5i 娄嚣。乏 d e v i c e i t “ 、i r $ 女l z l( 躲器乏i n t e r r u p t s i 盯d #( 、 e r r o r 5 ：e e 附r r # r e乏p o r t i n g i “一 ， 删 一 舾b ”删( t i o n 一黑一p - i u u j t c k ，r j t a g s y s t e m r ”_( )8 i “庄f “t ) t r 耵 f i g u r e2 2 p c ip i nl i s t 图表2 - 2p c i 总线接口信号啪1 按照功能的不同，p c i 信号线可以分为以下几类： 北京工业大学工学硕士学位论文 1 、 系统信号 c l k ：系统时钟信号，无论是p c i 主设备还是从设备，它都是输入信号。 其最高工作频率可以达到3 3 m h z 。p c i 2 1 规范中增加了对6 6 m h z 时钟频率的 支持。对于除了r s t # 、i r q b # 、l r q c # 、i r q d 弹以外的其他所有p c i 信号， 均在c l k 的上升沿有效或采样。 r s t # ：复位信号。用于对p c i 设备内所有寄存器和时序逻辑相关的信号 恢复至规定的初试状态。每当复位信号有效时，p c i 所有输出信号均应置为三 态。 2 、地址和数据信号 a d 3 1 ：0 0 】：地址、数据多路复用的输入输出信号。在f r a m e # 开始有效 的那个时钟周期，也就是地址周期，a d 总线上是由主设备发出的地址信号：在 i r d y # 和t r d y # 有效时是数据周期，读操作时a d 总线上是由从设备发出的数 据信号，写操作时a d 总线上是由主设备发出的数据信号。在数据周期， a d 7 ：0 是最低字节，a d 3 1 ：2 4 】是最高字节。 c b e 3 ：0 # ：总线命令和字节使能多路复用信号( c o m m a n d b y t e s e n a b l e ) 。在地自k 周期，这四条线上传输的是总线命令；在数据周期，它们传输 字节使能信号，用来表示a d 3 1 ：0 0 】上哪些字节是有效数据。任何时间，它们 均由主设备驱动。 3 、 控制信号 f r a m e 撑：帧周期信号，由当前主设备驱动，标志着一次总线操作的开始 和结束。f r a m e # 有效，标志着总线传输的开始；在其有效期间，意味着数据 传输正在进行中：f r a m 醉无效，表示传输的最后一一个数据期。 i r d y # = 主漫备准备好信号( i n i t i a t o rr e a d y ) 。该信号的有效表明发起这次 总线操作的主设备已经作好了一次数据传输的准备工作。它必须与t r d y # 配合 使用，两者都有效时，数据才能完整传送，否则为等待周期。在读周期，该信 号有效，表明主设备已经作好了接受数据的准备。在写周期，该信号有效，表 明主设备已经将数据准备好并放在a d 总线上。 t r d y # ： 1 标设备准备好信号( t a r g e tr e a d y ) 。该信号的有效表明发起这 次总线操作的从漫备已经作好了一次数据传输的准备工作。它必须1 ji r d y # 配 合使用，两者都有效时，数据才能完整传送，否则为等待周期。在写周期，该 第2 苹p c i 总线 信号有效，表明从设备已经作好了接受数据的准备。在读周期，该信号有效， 表明从设备已经将数据准备好并放在a d 总线上。 s t o p # ：停止数据传送信号。由从设备驱动，它有效时，表明从设备要求 主设备停止当前的数据传输。 d e v s e l # ：设备选择信号( d e v i c es e l e c t ) 。由从设备驱动。该信号有效表 明驱动它的从设备已成为当前操作的目标设备。 i d s e l # ：初始化设备选择信号( i n i t i a l i z a t i o nd e v i c es e l e c t ) 。在配置周期 用作片选信号。 4 、 仲裁信号 r e q # ：总线请求信号。该信号一旦有效，表明驱动它的设备要求使用总 线。它是一个点到点的信号线，每个主设备都要有r e q # 信号。 g n t # ：总线允许信号。该信号用来向申请设备的主设备表明，允许它使 用总线。它是一个点到点的信号线，每个主设备都要有g n t # 信号。 5 、 错误报告信号 p e r r # = 数据奇偶校验错误指示位( p a r i t ye r r o r ) 。对于每一个数据接受设 备，如果发现数据有错误，就应该在数据收到后的两个时钟周期内将p e r r # 置 为有效。 6 、 中断信号 p c i 局部总线共有四条中断线：i r q a # 、l r q b 撑、i r q c # 、i r q d # 。后三 个用于多功能设备。中断在p c i 总线中是可选项，不一定必须要有。对于单功 能设备，只有一条中断线，对于多功能设备最多可以有四条中断线。在单功能 设备巾，只能使用i r q a # 。 2 3p c i 总线常用命令 总线命令的作用是用来规定主、从设备之闯的传输类型，它出现在地址周 期的c i b e 3 ：0 # 信号线上。主没备是指获得总线控制器并发起总线操作的设 备；从设备是指地址周期中，被a d 3 1 ：0 0 】上的地址所选中的设备。 下表是总线命令的编码及类型说明。 c b e 3 ：0 # 命令类型说明 0 0 1 0 i ，0 读，从l ，o 地址空间读8 位数据 0 0 1 1 i o 写，向i ，o 地址空间写8 位数据 0 0 存储器读，从内存空间读数据 0 1 1 1 存储器写，向内存空间写数据 1 0 1 0配置读 1 0 1 1 配置写 1 、 i ，o 读命令 该命令用来从一个映射到i o 地址空间的设备中读取数据。a d 3 1 ：0 0 】上提 供的是个字节地址，全部3 2 位必须完全译码；字节使能c b e 3 ：0 , j , 须与字 节地址保持一致。 2 、i ，o 写命令 该命令用来向一个映射到i ，o 地址空间的设备写入数据。a d 3 1 ：0 0 】上提供 的是一个字节地址，全部3 2 位必须完全译码；字节使能c b e 3 ：0 必, 须与字节 地址保持一致。 3 、 存储器读 该命令用来从一个映射到存储器地址空间的设备中读取数据。 4 、 存储器写 该命令用来从一一个映射到存储器地址空间的设备中读取数据。 5 、 配置读 该命令用来从每个没各的配置空问读取数据。如果一个设备的i d s e l # 被 置为有效，并且a d 1 ：0 1 = o o 时，则该设备即被选为配置读命令的目标。在配 置命令的地址周期内，a d 7 ：2 用于从每个设备的配置空间中选择一个双字地 址。 6 、 配置写 该命令用来向每个设备的配置空间写入数据。如果一个设备的i d s e l # 被 置为有效，并且a d 1 ：0 】_ 0 0 时，则该设备即被选为配置写命令的目标。在配 置命令的地址周期内，a d 7 ：2 用于从每个设备的配置空间中选择一个双字地 址。 1 4 2 4p c i 总线的数据传输过程 p c i 总线的传输操作十分复杂。理解这些信号以及它们之间的复杂关系是 设计p c i 桥的首要工作。下面我们将详细介绍p c i 总线数据传输的时序。 2 4 1 总线上的读操作 c l k 一厂、+ 厂、。八一八一厂厂- 厂、n 厂一 12345 6789 册艄一童? ? ? ? 一三j ，二皇毒j a 。= 廷爱孝琏肆二( 掣兰专一延等半鼍，汪专： c ，b e 。i i 堕趣汇j 亘e ：二：二i ，二二：二二：至：二：二：b 喜二 o e v s e 峭i 二宴二 一l 一 c i a h b b r i d g e l l i 乏卜。 。 ? 乒 a h bb u s s 奁省 a 鞲 乏一t 弦0 i j ，、j ；jc 嚣随j f i g u r e5 - 7t h ee m u l a t i o ne n v i r o n m e n to fp c ia h bb r i d g e 图表5 - 7 p c ia h b 验证平台逻辑示意图 北京工业大学工学硕士学位论文 下图是f p g a 的验证平台的硬件连接示意图。其中，a r me v a l u a t i o n b o a r d 是由a r m 公司提供的评估板，上面有一块a r mc p u ，一块x i l l i n x v e r t i x 2 0 0 0 ef p g a ，两块4 m b i t 大小的r a m ，一块用于配置f p g a 的 f l a s h 。j t a g 接口有两个作用，一是用于配置f p g a ，即下载流文件；二是用 作仿真器接口，控制a r mc p u 的运行。为了实现与主机p c i 接口的连接，必 须设计一个p c i 连接器，一端插入主机p c i 插槽，另一端接a r m 评估板上的 f p g a 管脚接口。 删 一们“”| l，j t f p g a a r me v a l u a t l o nb o a r d f i g u r e5 - 8t h ec o n n e c t i o no fp c ia h bb r i d g ee m u l a t i o ne n v i r o n m e n t 图表5 - 8 p c ia h bb r i