（计算机应用技术专业论文）pci总线接口的研究与实现.pdf

西北工业大学硕上学位论文p c i 总线接口的研究与实现 摘要 本文以国家某重点型号工程中的数据通信接口板的研制为背景，探讨了如何采用e d a 方法并结合f p g a 器件，改进以往基于p c i 总线协议的接口逻辑，设计和实现基于p c i 总线的符合用户要求的数据通信接口板。 该数据通信接口扳的主要功能是实现主控计算机与仿真计算机之间的全双工数据通 信。该板长分别安装在总控计算机和仿真计算机内，由专用电缆互连，两板之间互相发送 激励信号，使得双方可以实现数据的通信。 首先，本文叙述了数据通信接口板的功能和各项技术指标，列举并比较了三种实现途 径。然后，本文详细介绍了设计数据通信接口板采用的e d a 方法和关键技术，如v h d l 语言编程技术、f p g a 和c p l d 技术、p c i 局部总线技术等。在此基础上，进行了器件的 选型。 其次，本文重点讲述了对原先研制的p c i 接口逻辑的改进、数据通信接口板的设计与 具体实现。在详细分析了已有的p c i 接口逻辑设计的基础上，根据本课题的具体需要做出 了改进。本文分析了数据通信接口板的组成、功能描述了接口板内部逻辑的详细设计。 另外，本文还介绍了接口板的调试方法。 最后本文指出了当前研制工作中不足之处和需要进一步完善的地方。 目前，该数据通信设备已经投入运行，并具有相当的实用价值。 关键词：p c i 局部总线技术 f l e x i o k 2 0f p g a自顶向下的设计方法 v h d le d a 数据通信接口板 两北工业大学硕士学位论立p c i 总线接口的研究与实现 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o n r e p r e s e n t s t h e d e s i g n a n dh a r d w a r e i m p l e m e n t a t i o n o fad a t a c o m m u n i c a t i o nd e v i c ei nam i l i t a r yd e v e l o p m e n t p r o j e c tw i t hp c it e c h n o l o g y t h em a i nf u n c t i o nt h a tt h ed a t ac o m m u n i c a t i o nb o a r dc a r r i e so u ti ss e n d i n gd a t au n d e rt h e c o n t r o lo fi n d u s t r yc o m p u t e rt ot h es a m ec a r di nt h es i m u l a t i o nc o m p u t e ra n da l s or e c e i v i n gd a t a f r o mi t t h r o u g ht h i sw a yt h et w o c o m p u t e r s c a nc o m m u n i c a t e f i r s t l y ，t h ef u c t i o n sa n dt e c h n i c a lr e q u i r m e n t so ft h ec o m m u n i c a t i o nb o a r da r ei n t r o d u c e d i nt h i st h e s i s ，a n dt h r e ew a y st or e a l i z et h ef u c t i o n sa n dm q u i r m e n t sa r eg i v e na n dc o m p a r e d f u r t h e r , t h ee d a m e t h o da n dm a i nt e c h n o l o g i e sa d o p t e di nt h ed e s i g na r ep r e s e n t e ds u c ha s t o p - d o w nm e t h o d s ，v h d lp r o g r a m i n g ，f p g a & c p l dt e c h n o l o g ya n dp c it e c h n o l o g y s e c o n d l y ，t h ed i s s e r t a t i o nd e s c r i b e s t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f c o m m u n i c a t i o nb o a r d a n dt h em e n d i n go ft h eu s e dp c ii n t e r f a c el o g i c o nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i so nt h ed e v e l o p e d p c il o g i c ，t h ed e s i n g e r i m p r o v eu p o nt h e p c ii n t e r f a c e l o g i ca c c o r d i n g t ot h e p r o j e e t s r e q u i r m e n t s m o r e o v e r , t h ed i s s e r t a t i o ne x p l a i n st h ec o m p o s i t i o n ，f u n c t i o n sa n di n t e m a ld e s i g n o ft h ep c ib o a r d i nt h ee n d ，t h ed e b u g g i n gm e t h o d sa n dt h ed e s i g nr e s u l t sa r ep r o v i d e di nt h e t h e s i s l a s t l y , s o m ed i s a d v a n t a g e sa n di m p r o v e m e n t s o ft h ed a t ac o m m u n i c a t i o nb o a r da r e s u m m a r i z e di nt h ea r t i c l e a tt h ep r e s e n tt i m e ，t h et e s ts y s t e mh a sb e e ni no p e r a t i o nf o rq u i t eat i m e i naw o r d ，t h e t e s ts y s t e mw e d e v e l o p e di so f g r e a t v a l u e k e yw o r d s ：p c il o c a l b u st e c h n o l o g yf l e x i o k 2 0f p g a t o p - d o w nd e s i g n t e c h n o l o g y v t t d le d ad a t ac o m m u n i c a t i o nb o a r d 西北工业大学颁卜学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题来源及意义 数据通信接口板的研制来源于国家某型号工程项目，目的是为了实现两台计算机之间 的高速数据传输。该板卡在总控计算机的控制下，向仿真计算机中的数据通信接口板实时 发送数据和激励，并接收仿真计算机中数据通信接口板发来的数据和激励。数据通信板的 研制使得两台计算机之间实现了高速的数据通信。在数据通信板研制中需要对以前的p c i 总线协议的接口逻辑进行改进，使得设计能够更好的符合用户系统的要求，达到更优越的 性能。 原先研制的p c i 接口逻辑只是实现了p c i 规范中最基本的部分。使用的i o 访问方式 使外设与c p u 之间的数据传输速度受到了一定的限制，为了满足用户越来越高的数据传 输速度的要求，改进p c i 接口逻辑而使用存储器访问方式来访问外设有相当的现实意义。 另外，不断完善p c i 接口逻辑，使得用户端可以根据具体应用在访问中发出重试从而使 主机可以重新开始与外设的数据交换。这不但增加了用户使用的灵活性，也极大程度上使 得上层驱动程序的编制得到了简化；因此，这些改进都具有极其重要的意义。 1 2 论文涉及的关键技术 在数据通信设备的研制过程中使用了四种关键技术，即：p c i 局部总线技术、白上而 下的e d a 技术，f p g a 与c p l d 技术以及v h d l 语言编程技术。具体原因如下： 1 ) 采用高速率、高可靠性、即插即用的p c i 局部总线技术 随着计算机技术的发展，微机中低性能的i s a 总线标准即将被淘汰，原有的i s a 板卡 将无法在今后的新型微机中使用。与此同时，用户对高速高性能板 的需求将会越来越高， 而技术成熟的p c i 局部总线具有高速率、自动配置、共享中断、独立于处理器、低功耗、 扩展性好、高可靠性等优点，因此，就当前而言，只有开发符合p c i 标准的扳r ，才能适 麻未来的发展需要。 2 ) 采e j 自上而下( t o p d o w n ) 的e d a 设计方法 传统的硬件系统采用的是自。r 而上( b o t t o m u p ) 的设计方法，这种方法的仿真与凋 4 西北工业大学倾t 学位论文第一章绪论 试都在设计后期进行，因而对设计人员有较高的要求，一旦考虑不周，就会引起设计回溯 使得设计周期大大增加。另外，这种方法的主要设计文件是电路图，因此不利于归档、保 存和维护同时阅读、修改和使用也非常不便。而自上而下( t o p d o w n ) 的设计方法从系 统的整体出发，自上而下逐步将问题细化，使得在发计初期就能及早发现问题，这样大大 降低了设计费用，明显缩短了设计周期。同时，t o p d o w n 的设计方法可使设计者在设计初 期将精力集中于电路的功能上，而不去关心电路实现的具体细节。 3 ) 采用f p g a 与c p l d 技术 f p g a 与c p l d 是在p a l 、g a l 基础上发展起来的两种技术。但和p a l 、g a l 相比，f p g a 与c p l d 规模较大，集成度高，并且和p r o m 配合使用时用户可以反复编程、擦除，或在外 围电路不变的情况下使用不同的e p r o m 即可实现不同的功能，这给开发者带来很大方便。 同时，采用f p g a 与c p l d 器件花费低，电路性能可靠，设计周期短，易丁开发。 4 ) 采用已成为i e e e _ 业标准的v h d l 语言进行编程 新* 的v h d l ( v e r yh i g hs p e e dh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 描述能力强，它 支持自上而f 和基于库( l i b r a r y b a s e d ) 的设计方法，还支持同步电路、异步电路、f p g a 与c p l d 以及其它随机电路的设计，其范围之广是其它h d l 语言所不能比拟的。另外，v h d l 的编程与工艺无关，工艺更新时无需修改设计，而只需改变相应的映射工具即可。目前， v h d l 语言己成为一种i e e e 的工业标准，其设计结果便于复用和交流。 。 1 3 所做的工作 本论文主要的工作是数据通信接口扳的研制以及对p c i 接口逻辑的改进。数据通信设 备的研制包括硬件设计和软件编制两部分。硬件设计包括内部逻辑设计、原理图与p c b 图 制作、仿真与调试，硬件验证以及两块板 之间的联调等：软件设计则包括操作系统平台 选择、测试软件人机界面的定义与设计、设备驱动程序的编制以及其它一些上层应用程序 等。 另外，对课题的需求分析表明选择自行设计的p c i 接口板来实现用户需求是较好的方 案，因此本论文的工作还包括对p c i 协议规范和已有的p c i 接口逻辑的理解、消化并在 此基础上对p c i 接口逻辑做出改进以满足用户的要求。 本人在该设备的研制过程中主要负责硬件部分的设计和调试工作，主要包括： 1 ) 和用户进行需求的沟通，确定数据通信接口板的总体方案，进行了器件选型； 2 ) f p g a 的坟计和编程工作( 输入输出信号的设计、控制信号的设计、用v h d l 语言编 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 税、逻辑仿真等) ； 3 ) 数据通信接口板的原理图设计、p c b 图的绘制； 4 ) 电路调试。 总之，本人要确保所设计的板卡能完成相应的功能，两块板昔之间衔接正确，协调工 作，使用改进的p c i 接口逻辑实现数据通信。 1 4 论文结构安排 论文的各章节安排如下： 第一章 绪论a 介绍了本论文的课题来源、研究意义、所做的j 二作以及研制过程中 所需的关键技术。 第二章 数据通信接口板系统概述。本章介绍了数据通信接口板的性能要求与技术 指标以及数据通信接口板设计方案的选定过程。 第三章 数据通信卡的设计方法与关键技术。本章讨论了研制数据通信卡所用的 e d a 方法和各种关键技术，如v h d l 语言编程技术、f p g a 和c p l d 技 术、p c i 局部总线技术等。 第四章p c i 接口逻辑的设计与改进。本章详细分析丁已有的p c i 接口逻辑设计模 块，并在此基础上给出了针对数据通信板设计需要对接口逻辑的改进。 最后，本章给出了p c i 接口逻辑的仿真波形与调试方法。 第五章 数据通信设备硬件接口板的研制。本章详细介绍了数据通信接口板的组成 和功能，并分析了它的内部结构，然后详细阐述了该接口板的逻辑设计过 程。 结束语 总结了整个论文所做的工作与设计中存在的不足之处，指明了下一步要进 行的工作。 6 两北1 = 业大学硕士学位论文第二章数据通信板系统介绍 第二章数据通信板系统介绍 2 1 数据通信板的性能要求与技术指标 数据通信接口扳的主要功能就是实现主控计算机中的数据通信扳与仿真计算机中的 数据通信扳之间的、 双工高速数据交换。其具体的功能要求与技术指标如下： 1 ) 接收数据时采用f i f o 缓冲空间： 2 ) 可以设置f i f o 缓冲区的阈值： 3 ) 可以读出f i f o 的空、满状态标志位： 4 、f i f o 不空或接收数据个数超过所设置的闽值时可向p c 机发中断请求信号： 5 1 一次发送3 2 位数据； 6 1由于超时数据未发送成功时可使主控计算机重试发送数据； 7 1 可使用专用的外部插头进行接口板的自检。 8 1 两块板卡之间的连线长度在2 米之内，要求连续发送数据传输率的峰值可以达 到i o m b s 咀上。 根据用户提出的功能要求和技术指标，对数据通信接口板的几种实现途径做了比 较，下一节将逐一介绍并给出最终的实现方案。 2 2 数据通信的几种实现途径 要实现分布在两台计算机中的两块板昔之间的数据交换，有几种方案可供选择，比 如网络通信，或并、串口通信，还有使用自行设计的p c i 扩展板来都可以实现数据通信 功能。下面就这几种备选方案逐一分析并加咀比较。 2 2 1 网络通信 网络通信是用网卡和传输线路将通信节点互连起来实现信息的传输。网络通信遵循 规定的协议标准，如t c p i p 协议等。传输的数据必须封装成特定的帧格式，典型的帧格 式如图2 1 所示。网络通信中，源和目的地之间的数据交换是通过三次握手来实现的。 7 西北工业大学硕 学位论文第二章数据通信板系统介绍 阏此，每帧都有a c k ( 应答) 来确认接收到该帧。并且还要对该帧数据进行循环冗余校 验( c r c ) 。 图2 1 典型的帧格式 虽然现有的网 可以达到1 0 m b s 甚至1 0 0 m b s 的数据传输率，但在网络通信中传 送的数据要封装成“帧”，并按照网络协议的规定将帧一层一层传送出去。这样数据通 信中实际的数据传输率就达不到i o m b s 或者1 0 0 m b s 。而该项目中数据传输率的峰值要 达到1 0 m b s ，因此使用网络通信不能满足这一要求。 2 2 2 并、串行端口通信 并、串行端口是计算机上的标准配置，可以用来实现数据的并行、串行传输。并行 传输指可以同时传输一组比特，每个比特使用单独的一条线路。串行传输指外设和计算 机间使用一根数据信号线( 另外需要地线，可能还需要控制线) ，数据在一根数据信号线上 一位一位地进行传输，每一位数据都占据一个固定的时间长度。并行和串行传输如图2 2 所示。 a ) 并行传输b ) 串行传输 图2 2 并行和串行传输 并行端口和串行端口都可以实现数据通信功能但是并行传输一次只能发送8 位数 据，而串口传送时数据的接收和发送都是一位一位进行的，所以并、串行传输都无法满 足课题中规定的数据传输速率。因此设计者决定不采用并、串行端口通信的方案。 2 2 3 自行设计p c i 扩展板 另一种实现数据通信板功能的方案是设计者根据要求自行设计p c i 扩展板来满足用 户提出各项功能和技术指标。考虑到高速数据传输的要求，选择使用并口来实现设备与 外部的通信。由于两块板卡之间的距离很短( 2 米内) ，所以采用自制的专用电缆将主控 计算机与仿真计算机连接起来实现数据的传送通路。使用自行设计的p c i 扩展板来实现 西北工业大学硕士学位论文第二章数据通信板系统介绍 有以f 优点： a )选用集成度高的可编程芯片来实现p c i 接口逻辑和用户逻辑。p c i 逻辑作为一 个功能块嵌入芯片中，通过芯片管脚的i 0 电路与p c i 总线连接，用户逻辑也 在芯片内部实现。这些芯片在开发过程中考虑到了其使用领域和应用前景，芯 片本身支持p c 机的扩展环境和相关的扳卡设计。设计中选用这样的芯片不仅 节约了开发时间，缩短了开发周期，并且在一定程度上还提高了电路的性能， 简化了电路的测试程序。这样的设计也极大的节约了开发成本。 b )降低了软硬件设计的复杂度。由丁已有自行设计的p c i 接口逻辑可用，所以只 要根据用户要求的技术指标对p c i 接口逻辑进行改进，使之能够高速传送数据 达到用户要求的数据传输率即可。驱动程序的编制较之网卡的驱动程序简化了 很多。这样大大降低了开发成本，也缩短了开发周期。 综上所述，自行设计p c i 板卡来实现用户要求比使用网卡、串口来实现有着很多优 势。因此设计者晟终选用自行设计的p c i 板卡来实现数据通信的功能。 2 3 小结 本章介绍了数据通信板卡的性能要求和技术指标，并重点讨论了三种实现途径并加 以比较。在选定设计方案后，就需要进一步了解设计方法和设计中使用的关键技术，下 一章就这两个方面进行详细的介绍。 9 两北工业大学硕士学位论文 第三章设计方法与关键技术 第三章设计方法与关键技术 本课题采用了e d a 踺计方法和多种关键技术，例如：f p g a 与c p l d 技术、v h d l 语言编程技术、p c i 局部总线技术等。本章详细说明了数据通信接口板采用的设计方法 与各种芙键技术。 3 1e d a 技术及其优点 e d a 技术是以大规模可编程逻辑器件为设计载体，以硬件描述语言( h d l ) 为系统 逻辑描述的主要表达方式，以计算机、大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验开发系 统为设计工具，通过有关的开发软件，自动完成用软件方式设计的电子系统到硬件系统 的逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综台与优化、逻辑布局布线、逻辑仿真，直至 对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射、编程下载等工作最终形成集成电子系统或 专用集成芯片的一门新技术。 与传统的电子设计技术相比，e d a 技术的优越性主要表现在： 1 )缩短设计周期 方案或概念构思以高层次描述的形式输入计算机后，e d a 系统就能以规则驱动的方 式自动完成整个设计，大大缩短了产品的研发周期。 2 1节省设计费用 e d a 技术使电子工程师在实际的电子系统产生之前就可以采用较为精确的模型，全 面地了解系统的功能特性和物理特性，实现各种分析，从而将开发过程中出现的缺陷消 灭在设计阶段，不仅缩短了开发时间，也降低了开发成本。 3 】设计资源共享 在e d a 系统中，成熟的单元设计、各种模型及其相关参数均存放在数据库文件中。 在完成电路设计后，可以很方便地生成各种需要的数据文件与报表文件，用户可以直接 共享这些设计资源。 舢验证电路方案设计的正确性 e d a 技术可用于系统方案设计或某种新理论、新构思的方案设计，进而对构成系统 的各种电路结构进行模拟分析以判断电路结构设计的正确性及其性能指标的可实现性。 实现电路特性的模拟测试 采用e d a 方式可以方便地实现全功能测试，也可以直接模拟各种恶劣的j ：作环境 及各种极限条件f 的电路特性而不损坏器件或电路，比传统的设计方式要经济的多。 o 西北工业大学硕士学位论文第三章设汁方法与关键技术 总之，利用e d a 技术进行电子系统的设计实质上就是用软件的方式设计硬件，它 最突出的优点就是软件方式设计的系统到硬件系统的转换是由相关的开发软件自动完成 的设计过程中可使用有关软件进行各种仿真，系统可现场编程、在线升级，整个系统 可集成在一个芯片上，体积小，功耗低，可靠性高。正是这些优点，使得e d a 技术成 为现代电子设计的发展趋势。 3 2 t o p d o w n 的设计方法 传统的硬件系统采用的是自下而上( b o t t o m u p ) 的设计方法，这种方法的仿真和 调试都在设计后期进行，因而对设计人员有较高的要求，旦考虑不周，就会引起堤计 回溯，使得设计周期和开发成本大大增加。另外，它的主要设计文件是电路图，不利于 归档、保存和维护，同时阅读、修改也非常不便。随着电子工业的飞速发展，这种方法 显然已不能适应新的形式，为此，引入了一种高层次的设计方法，即自上而下( t o p - d o w n ) 的设计方法。 具体地说，t o p - d o w n 设计方法只有以下优点： 1 1 提高了设计速度，缩短了产品的开发周期 由于高层次设计的描述采用行为级描述语言，这种语言不仅易于描述，而且简洁易 懂，一般来说，行为级h d l 大约仅为相同功能r t l 级h d l 代码的十分之一。 2 )有效地保证了设计质量，降低了设计成本 高层次设计中行为描述通常要比低层次的结构描述简洁而且易于编写和理解，这就 相应地降低了设计的复杂性，减少了描述错误，且容易检查和修改。另外，由于描述层 次的提高而大大缩短了仿真时间，并使设计中出现的问题能在早期得到发现，降低整体 设计的成本。 3 )优化产品设计方案 基于行为级的设计可以优化系统的体系结构，可寻求撮优或较优的设计方案，并快 速评估多种结构间的性价比。 4 1与工艺无关，提高了殴计的再利用性 在高层次设计中，由于v i - - d l 语言具有与工艺无关的特性，因而在行为和结构级可 不必关心与工艺相关的细节，这就为设计的再利用性提供了条件，也为今后更快地殴计 出新产品创造了条件，即使半导体厂商的工艺改变，也只需改变相应的映射工具，重新 进行综台即可。 5 大大提高了设计的可交流性 在高层次设计中，崩户一般以v h d l 语言描述作为设计的规范说明和需求说明，在 经高层次综合、用户修改、验证z 后，仍可将结果转换为v h d l 语言的描述方式，从而 西北工业大学硕一 j 学位论文 第三章故汁方法与关键技术 可以实现殴计过程的自动文档化。 6 )提高了产品的可测试性 通过高层次设计的产品，可降低设计的复杂性和故障覆盖率，提高产品的可测试性。 由于t o p d o w n 的漫计方法具有诸多传统设计方法所无可比拟的优点，所以在研制 数据通信接口板时本人也采用这种方法。 3 3v h d l 语言编程技术 美国国防部开发的v h d l ( v e r yh i g hs p e e dh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 语言是 唯一被公认的硬件描述语言之一，它出现于8 0 年代，并于1 9 8 7 年1 2 月作为 i e e e s t d 一1 0 7 6 标准公布开发。作为一种电路设计高级语言，v h d l 有着其它硬件描述 语言所无与伦比的优越性，具体表现在以f 几个方面： 1 )设计技术齐全、方法灵活、支持广泛 v h d l 语言不仅支持t o p - d o w n 、b o t t o m - u p 、混合和基于库( l i b r a r y b a s e d ) 的设 计方法，而且还支持同步电路、异步电路、f p g a 以及其它随机电路的设计。 2 )系统硬件描述能力强 v h d l 语言具有多层次描述系统硬件功能的能力可以从系统的数学模型直到门级 电路进行描述。另外，高层次的行为描述可以和低层次的r t l 描述与结构描述混合使用。 v h d l 语言能进行系统级的硬件描述，这是它最突出的一个优点。其它h d l 语言，例 如v e r i l o g 等只能进行i c 级、p c b 级描述，而不能对系统级的硬件很好地进行描述。 3 )可以与_ _ 【= 艺无关编程 在用v h d l 语言设计系统硬件时没有嵌入与工艺有关的信息。与大多数h d l 语 言不同，采用v h d l 语言设计时，当门级或门级以上层次的描述通过仿真验证以后，再 用相应的工具将设计映射成不同的工艺。这样，在工艺更新时，无需修改原设计程序， 只需改变相应的映射工具即可。由此可见，无论修改电路还是修改工艺，两者相互之间 不会产生什么不良影响。 4 )v h d l 语言标准、规范，易于共享和复用 由于v h d l 语言已作为一种i e e e 的t ：业标准，所以其设计结果便于复用和交流。 v h d l 语言的语法严格，其风格类似于a d a 语言，给阅读和使用都带来极大的方便。 由于v h d l 语言具有以上优点，所以该课题将它作为描述逻辑的主要表达方式。 3 4f p g a 和c p l d 技术 可编程器件p l d 经过几年的发展，芯片规模、密度和性能都有了惊人的变化。而作 2 西北工业大学颁b 学位论文 第三章设计方法与关键技术 为p l d 的主流产品f p g a 和c p l d 更是物美价廉应用广泛。本节就f p g a 和c p l d 技术做一简要介绍。 3 4 i f p g a 与c p l d 的特点 现场可编程门阵列( f p g a ：f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ) 和复杂可编程逻辑器件 ( c p l d ：c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 是实现e d a 的基础，是e d a 思想的 最终表述手段t 它们同属于近年来发展迅速的大规模可编程专用集成电路。同以往的 p a l 、g a l 相比，f p g a 与c p l d 的规模较大，适合于时序、组合等逻辑电路的设计， 它们可以替代几十甚至上百片通用i c 芯片。一般来说，f p g a 与c p l d 具有以下优点： 1 ) 集成度高，容量犬 随着超大规模集成电路工艺的不断提高，单一芯片内部可以容纳上百万个晶体管， f p g a 与c p l d 芯片的规模也越来越大。 2 )花费低廉 设计人员只需在实验室里就可以通过相关的软硬件来完成芯片最终的功能指定，现 场可编程技术使可编程器件在使用上更为方便因此研发费用相对较低。 3 ) 可重复编程 f p g a 与c p l d 芯片和p r o m 配合使用时，用户可以反复编程、擦除或在外围电路 不动的情况卜用不同的p r o m 就可以实现不同的功能。 4 ) 设计周期短 f p g a 与c p l d 软件包中不但有各种输入工具和仿真工具而且还有版图设计工具 和编辑器等全线产品，电路设计人员在很短时间内就可完成电路的输入、编译、优化和 仿真，直至最后芯片的制作。 5 ) 易于开发 电路设计人员在使用f p g a 与c p l d 进行电子设计时，不需要具备专门的i c 深层 知识t e d a 软件大多简单易用，可以使设计人员集中精力进行电路设计。 基于以上原因，在数据通信接口扳的研制过程中，我们采用了f p g a 与c p l d 技术。 3 4 2 f p g a 与c p l d 的比较与选型 3 4 2 1 f p g a 与c p l d 的比较 f p g a 的结构类似丁高密度高集成度的标准门阵列，而c p l d 则是由g a l ( g e n e r i c 西北工业：= 学硕t 学位论文第三章设汁方法与关键技术 a n a yl o g i c ) 发展起来的，其主体结构仍是与或阵列。由于二者具有相似的集成度和易 用性，所以f g p a 和c p l d 并驾齐驱，成为可编程器件发展的两大主流。同时，二者结 构上的差异也决定了f p g a 和c p l d 在性能上各有所长。 为了能清楚的说明问题，表3 1 总结了f p g a 与c p l d 在结构与性能上的差异。 表3 1f p g a 与c p l d 的结构与性能比较 比较角度c p l df p g a 集成规模小( 最高达数万门)大( 最高达百万门) 单元粒度大( p a l 结构)小( p r o m 结构) 互连方式集总总线分段总线、长线、专用互连 编程t 艺e p r o m 、e 2r o m 、f l a s h s r a m 编程类型r o m 型r a m 型，须与存储器联用 信息壬失断电不丢失断电丢失，可实时重构 触发器数少多 单元功能强弱 速度高 低 p i n p i n 延迟确定，可预测不确定，不可预测 功耗高低 加密性能可加密，保密性能好不可加密，保密性能差 使用场合逻辑型系统数据型系统 从以上比较结果可以看出，f p g a 的总体性能略好于c p l d 。因此，本课题中采用 f p g a 来实现数据通信板的内部逻辑。下一节将详细介绍a l t e r a 公司推出的典型的 f p g a 产品。 3 4 2 2 f l e x1 0 k 的内部结构及特点 f l e xi o k 系列是f l e x 系列当中非常有代表性的f p g a 器件，它集合了可编程逻 辑器件的灵活性，器件规模从1 00 0 0 门到2 5 00 0 0 门，系统时钟可达2 0 4 m h z ，并且兼 容6 6 m h z6 4 位p c i 总线。f l e x1 0 k 系列器件独特的逻辑结构嵌入式阵列与逻辑 阵列，和传统的可编程逻辑架构相比较有了革命性的变化。同时，a l t e r a 产品的i o 多重电压和f i n e l i n eb g a 封装极大地提高了f l e x1 0 k 器件的灵话性和适应性。 f l e x1 0 k 系列器件的内部结构如图3 1 所示。每个f l e xl o k 器件由嵌入式阵列、 逻辑阵列、i o 端口和互连线组成。嵌入式阵列用来实现不同的存储器功能或是复杂的 逻辑功能，譬如数字信号处理器、微控制器、宽数据通道的交换和数据转换功能。逻辑 阵列完成门阵列中fj 海完成的功能，使用逻辑阵列可以实现通用逻辑，如计数器、加法 4 西北工业大学顺卜学位论文 第三章改汁方法。关键技术 器、状态机和多路复用器等。通过联合使_ | = j 嵌入式阵列和逻辑阵列，设计者可以在单个 芯片中实现整个系统的功能。 嵌入式阵列由一系列嵌入式阵列块e a b s ( e m b e d d e d a r r a yb l o c k ) 组成，这些e a b s 可以非常灵活地实现r o m s 、同步与异步f i f o s 、双1 5 1r a m s 以及其它一些功能。当实 现存储器功能时，每个e a b 可以提供2 0 4 8 b 的存储空间：当实现普通逻辑时，每个e a b 可以提供1 0 0 6 0 0 个门。e a b s 可以单独使刚，也可多个组合使川，以便实现更为复杂 的逻辑功能。 逻辑阵列由逻辑阵列块l a b s ( l o g i c a r r a yb l o c k s ) 组成，每个l a b 义由8 个增强 型的逻辑单元l e s ( l o g i ce l e m e n t s ) 组成，l e s 之间通过局部互连相互通信。一个l e 包含一个4 输入l u t ( l o o k u pt a b l e ) 、一个可编程触发器和一些用来实现进位与层叠 功能的专州通路。8 个l e s 可以用米实现中等规模的块状逻辑，例如，8 何的计数器、 地址泽码器和状态机等，也可以交义组合多个l a b s 来实现更大的逻辑块。每个l a b 可 以提供9 6 个门的可用逻辑。 在f l e xl o k 内部，信号的互连是通过快速通道( f a s tt r a c k ) 来实现的。f a s tt r a c k 是一系列快速连续的行和列通道，这些通道在行和列方向上贯穿了整个器什。 e m b e d d e d 脚口舾酣埘剧 g m b e d d e d a r r 图31f l e x1 0 k 系列器件的内部结构 f l e xi o k 系列器什的特点如_ 卜： 血r 掣 a r r a y r 脚 曲，瑚耐瞳毋 j t l t 册l 聊时 西北t 业大学硕士学位论文第三章设计方法与关键技术 1 )集成度高，便下| 进行人规模设计； 2 )工业档芯片，性能稳定可靠： 3 )支持多种_ 作电压。f l e x1 0 k 系列可提供5 v 、33 v 和2 5 v 等多种电压，用 户可根据需要选用相应的器件： 4 )速度快。f l e x1 0 k 系列的系统时钟可达到2 0 4 m h z ，为如今的高速宽带应用 提供了可编程解决方案； 5 )内部均有嵌入式阵列块，可以灵活地实现存储器、f i f o 和双口r a m 等功能； 6 )兼容性好。f e l x1 0 k 和f e l x1 0 k a 支持p c i 接口2 1 规范，f e l x1 0 k a 支 持5 0 v 的6 6 m h z 6 4 位p c i 总线接口规范： 7 )支待j t a g 等多种在线编程调试模式； 8 )使用安全。所有的器件均进行过1 0 0 的测试； 9 ) 面积小。采用f i n e l i n eb g a 封装，减小了芯片占用的面积。 正是因为f l e x1 0 k 独特的内部结构和突出的优点，所以，本课题采用该系列器件 实现数据通信接口扳的内部逻辑。 3 4 2 3 f p g a 与c p l d 的选型 在数据通信扩展板中，需要8 0 个输入输出管脚以及一个宽1 6 位深度为1 2 8 的f i f o 资源。鉴于以上资源要求，我们选择使用a l t e r a 公司f l e x1 0 k 2 0 系列中的 e p f l 0 k 2 0 t c l 4 4 4 器件。 e p f i o k 2 0 t c l 4 4 - 4 器件中l a b 和e a b 的总门数为2 0 0 0 0 个，它内部有6 个e a b s ， 一个e a b 包含8 个e c s ( e m b e d d e dc e l l s ) 且每个e a b 可提供2 0 4 8 b 的存储空间，故 总共的r a m 资源为1 2 2 8 8 位：芯片中共有1 4 4 个l a b s ，每个l a b 包含8 个l e s ，故 共有1 1 5 2 个l e s 。另外，芯片有1 4 4 个管脚，支持5 v 电压。 虽然f l e xi o k 系列不是a l t e r a 公司性能最好的产品，但它能很好地满足数据通 信殴备的开发需要，而且不造成大量资源的浪费。因此，就目前而言，e p f l 0 k 2 0 t c l 4 4 _ 4 是实现数据通信卡开发的理想选择。 3 5p c i 局部总线技术 p c i 的全称是p e r i p h e r a tc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t i o n ，即外围部件互连。它把高带宽 的外围设备移l g 靠近系统处理器的地方。通过一个系统接口( 主桥路) 丽与处理器或存 储器连接起来，所以叫做局部总线。它首先由i n t e l 提出，于1 9 9 2 年5 月定为公开的工 业标准。其中，v 2 i 版的体系结构如图3 2 所示。 6 两北工业大学硕上学位论文第三章设计方法与关键技术 图3 2p c i 局部总线的体系结构 在图3 2 中，各种外设可直接与p c i 总线连接，然后通过p c i 主桥路芯片，所有的 p c i 外设元件均可与处理器相匹配，从而使p c i 总线与处理器保持相对独立。这样，当 处理器更新时，只要更换相应的主桥路芯片，系统的其它部分均可保持不变。因此，无 论是外设的升级还是处理器的更新，都对p c i 总线体系结构的影响很小。 另外，处理机c a c h e 存储器子系统经过一个p c i 桥连接到p c i 总线上，这个桥提供 了一个低延迟的访问通路，处理机可以通过它直接访问到映射于存储器地址空间或i 0 地址空间任何地方的p c i 殴各。同时，它提供了允许p c i 主设备直接访问主存储器的高 速通路。一些p c i 中央功能( 例如仲裁) 一般要由这个桥来提供。另外，p c i 桥可以提 供数据缓冲能力，使处理机与p c i 总线上的设备可以并行工作而不必相互等待。桥的另 一个重要作用是使p c i 总线的操作与处理机总线分开，使它们互不影响。 3 5 1 p c i 总线的特点 p c i 总线规范提供了一组可选的特性能达到多种f 生价比，并且可以使总线功能在 系统和元件级上拉开档次，p c i 总线具有以下特点： 1 ) 速度快，性能高 p c i 总线宽度有3 2 位和6 4 位两种，速率也有3 3 1 v l h z 和6 6 m h z 两种，将以上两个 指标组合起来可形成三种峰值速率，即；1 3 2 m b s 。2 6 4 m b s 和5 2 8 m b s 。p c | 总线支持 突发( b u r s t ) 读写方式，且突发长度不受限制这种无限读写的突发方式使得p c i 总线 能在一瞬间传送大量数据。p c i 总线是集中式仲裁，仲裁与数据传输可以重叠进行，因 两北工业大学硕上学位论史第三章设汁方法与关键技术 而不占用总线带宽。另外p c i 总线的主设各( m a s t e r ) 可与微机内存直接交换数据， 而不必经过c p u 中转，这也提高了数据传送率。p c i 总线支持并发- i ：作。即p c i 总线上 的外用殴备可与c p u 并发工作。 2 ) 信号线数少，r q 用面积小 p c i 规范中数据线与地址线复用，命令线和字节使能线复用，这种方式减少了信号 线数和引脚数( 从殴备t a r g e t 需4 7 线，主设备m a s t e r 需4 9 线) ，也缩小了p c i 元件的 封装尺寸。另外，其电气规范和时钟频率均满足标准的a s i c 技术指标，因而有利于直 接连接各种芯片，使整个系统尺寸缩小。 3 ) 独立于处理器，寿命长 p c i 总线使f o 子系统与微处理器相互独立，外设可直接与p c i 总线互连，然后通 过主机桥路芯片与微处理器相匹配，从而使p c i 总线与微处理器保持相互独立。当处理 器更新时只需更换相应的桥路芯片，系统其它部分无需重新设计。 4 )自动配置，便于使用( 即插即用性) p c i 板卡的硬件资源则是由微机根据各个板卡的要求统一分配，决不会有任何冲突 问题。p c i 总线规范定义了配置空间操作，其目的在于提供自动配置功能，从而使所有 与p c i 兼容的设备实现真正的“p l u g & p l a y ”。在每个p c i 设备中都有2 5 6 个字节的配置 空间用来存放自动配置信息一旦p c i 板 插入系统，系统b i o s 将能根据读到的有关 该板幸的信息，结合系统的实际情况为板卡分配存储地址、端口地址、中断和某些定时 信息，实现自动配置功能从根本上免除了人工操作。 5 ) 支持多种电压，使用灵活 p c i 总线规定了5 v 和3 3 v 两种信号环境，并且可以平稳地实现从5 v 到3 3 v 的工 业过渡。p c i 总线还具有完全的多主设备能力。p c i 总线上每次访问都由主设备发起， 通常总线桥就是主设备，但p c i 总线上其它设备也可作为主设备而去访问总线上的任何 其它目标设备。 正是因为p c i 总线具有上述诸多优点，使得p c i 总线成为目前微机上广泛使用的总 线规范。就目前而言，只有开发遵循p c i 总线规范的接口板，才能使其产品具有更为强 大的生命力。 3 5 2 p c i 总线传输协议 3 5 3 1 p c i 总线信号定义 p c i 总线的信号包括两大类：必备的和可选的。p c i 接口的目标设备最少需4 7 条信 号线。主殴备最少需要4 9 条。只用必备的信号线即可处理数据、寻址，实现接口控制、 8 西北t 业大学硕卜学位论文 第三章垃计方法j 关键技术 州r 裁及系统功能。图2 2 按功能分组表示了这些信号，左边是必备的，右边是可选的， 图中的信号方向适_ ；f j 予主设备目标设备综合体的情况。 p c i 总线的必选信号共5 组，它们分别如f ： 1 ) 系统信号 p c i 系统信号包括c l k 和r s t ，c l k 为p c i 总线上的所有操作提供时间同步，而 r s t 将p c i 专用的寄存器、序列器和各个信号设置成规定的状态。 2 )地址与数据信号 p c i 总线是数据线和地址线复用，总线命令线和字节使能线复用。在地址期和数据 传输期，a d 上分别存放