摘 要： 結(jié)合PCI-Express的傳輸特性,，分析了PEX8311的DMA傳輸模式與時序邏輯，通過有限狀態(tài)機(jī)的設(shè)計,，實(shí)現(xiàn)PEX8311的DMA傳輸,。與其他設(shè)計相比，利用有限狀態(tài)機(jī)理論設(shè)計控制邏輯具有直觀、簡單,、設(shè)計流程短等優(yōu)點(diǎn),，并對狀態(tài)機(jī)進(jìn)行了Verilog優(yōu)化設(shè)計，使?fàn)顟B(tài)機(jī)更加穩(wěn)定,。
關(guān)鍵詞： 橋接芯片PEX8311,；PCI-Express接口；DMA傳輸,；有限狀態(tài)機(jī)
0 引言
PCI-Express是最新的總線和接口標(biāo)準(zhǔn),，它代表著下一代I/O接口標(biāo)準(zhǔn)。它原名為3GIO,，是由英特爾在2001年提出的,，交由PCI-SIG（PCI特殊興趣組織）認(rèn)證發(fā)布后才改名為PCI-Express，簡稱PCI-E,。PCI-E屬于高速串行點(diǎn)對點(diǎn)雙通道高帶寬傳輸,，所連接的設(shè)備分配獨(dú)享通道帶寬，不共享總線帶寬,，主要支持主動電源管理,、錯誤報告、端對端的可靠性傳輸,、熱插拔以及服務(wù)質(zhì)量（QoS）等功能,。這個新標(biāo)準(zhǔn)將全面取代現(xiàn)行的PCI和AGP，最終實(shí)現(xiàn)總線標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一,。
PCI-Express的主要優(yōu)勢就是數(shù)據(jù)傳輸速率高,，目前最高的16X2.0版本可達(dá)到10 Gb/s，而且還有相當(dāng)大的發(fā)展?jié)摿?。PCI-Express也有多種規(guī)格,，從PCI-Express 1X到PCI-Express 16X，能滿足將來一定時間內(nèi)出現(xiàn)的低速設(shè)備和高速設(shè)備的需求,。PCI-Express最新的接口是PCIE 3.0接口,，其比特率為8 Gb/s，約為上一代產(chǎn)品帶寬的兩倍,，并且包含發(fā)射器和接收器均衡,、PLL改善以及時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)等一系列重要的新功能，用以改善數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)保護(hù)的性能[1],。
1 PEX8311的介紹
PEX8311是PLX Technology公司推出的一款專用于將DSP,、FPGA等處理器總線接口升級為PCI-E的橋接器件。利用PEX8311靈活的局部總線可以方便地連接多種存儲器,、緩存器及FPGA,、DSP等邏輯芯片,，使復(fù)雜的PCIE接口設(shè)計簡單化。PEX8311兼容PCI-Express 1.0標(biāo)準(zhǔn),，其本地總線和寄存器與PCI9056兼容,，能夠提供完整的本地總線到PCI-E的接口，包括地址轉(zhuǎn)換,、包生成與解碼,、信號中斷支持及并/串轉(zhuǎn)換等[2]。圖1為PEX8311結(jié)構(gòu)圖,。
PEX8311由兩組橋接模塊組成：PCIE-PCI和PCI-Local Bus,，相應(yīng)地配有兩組寄存器PECS和LCS。PEX8311支持外部EEPROM對寄存器分別進(jìn)行配置,，也可以通過PC或本地處理器進(jìn)行配置,。
PEX8311芯片特點(diǎn)：
（1）集成了單通道,、全雙工2.5 Gb/s傳輸?shù)腜CI Express端口,；
（2）本地總線配置支持8位,、16位和32位的總線結(jié)構(gòu),；
（3）支持三種操作模式,，使用靈活,；
（4）高性能DMA數(shù)據(jù)傳輸支持塊模式,、集散模式,、循環(huán)隊列管理和命令模式；
?。?）支持端點(diǎn)（EP）和根組件（RC）模式,；
（6）芯片低功耗設(shè)計,；
?。?）芯片小型封裝，適合緊湊的電路板設(shè)計,；
?。?）3.3 V的I/O并且兼容5 V系統(tǒng)；
?。?）串行EEPROM用來可選擇的導(dǎo)入配置,，支持SPI接口和Microwire接口；
?。?0）有8 KB的統(tǒng)配共享RAM,。
PEX8311可配置為端點(diǎn)模式（Endpoint mode）和根組件模式（Root complex mode）。端點(diǎn)模式多用于設(shè)備端的橋接模式,，而根組件端則用于PC端的橋接模式,。最常用的模式為端點(diǎn)模式[3]。
在端點(diǎn)模式下有三種操作類型：C模式,、J模式和M模式,。C模式為非復(fù)用地址/數(shù)據(jù)總線模式，是最為常用的模式,，支持多數(shù)的MCU,、ASIC和FPGA。J模式為復(fù)用地址/數(shù)據(jù)總線模式,，即部分地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用,，支持部分MCU和FPGA。M模式為專用模式,。
在C模式下又有三種數(shù)據(jù)傳輸模式：直主模式（Direct Master mode）,、直從模式（Direct Slave mode）和DMA模式。三種數(shù)據(jù)傳輸模式中,，直從模式的優(yōu)先級最高,，直主模式次之，DMA模式最低,。
?。?）直主模式：本地處理器掌握本地總線控制權(quán)。寄存器配置和PEX8311芯片控制都由本地處理器完成,。
?。?）直從模式：PEX8311掌握本地總線控制權(quán)，寄存器配置和PEX8311芯片控制由PC端完成,。
?。?）DMA模式：PEX8311掌握本地總線和PCI-E端總線的控制權(quán)，此模式下的數(shù)據(jù)傳輸無需本地處理器或PC處理器干預(yù),。
2 DMA傳輸模式
DMA模式中,，PEX8311提供兩個完全獨(dú)立的雙向通道DMA Channel 0和DMA Channel 1，每個通道都配有256 B深度的獨(dú)立異步FIFO,；支持塊模式,、集散模式、循環(huán)隊列管理和命令模式[2],。DMA塊模式無需PC或本地控制器干預(yù),，傳輸效率高，所以可以大大降低控制器的工作量并且提高數(shù)據(jù)傳輸效率,，為了達(dá)到最大的數(shù)據(jù)傳輸效率,，選擇DMA塊模式持續(xù)傳輸方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,。
PCI-E設(shè)備或本地處理器設(shè)置DMA的PCI以及本地的開始地址、傳輸字節(jié)數(shù)和傳輸方向后,，PCI-E設(shè)備或本地處理器設(shè)置DMA通道開始和使能位（LCS_DMACSR0/1[1：0]=11b）來初始化一個傳輸,。PEX8311訪問內(nèi)部PCI-E地址空間在PCI-E接口和本地總線上產(chǎn)生一個TLP，然后開始傳輸數(shù)據(jù),。傳輸完成后,，PEX8311設(shè)置相應(yīng)的DMA通道的通道完成位（LCS_DMACSR0/1[4]=1），聲明一個終中斷（LCS_INTCSR[16 and/or 8]和/或LCS_DMAMODE0/1[17 and/or 10]到本地處理器或PCI-E接口（可編程）,。相應(yīng)DMA通道的通道完成位可以采用輪詢的方式取代中斷方式來指示DMA傳輸狀態(tài)[4],。圖2為DMA塊傳輸?shù)某跏蓟^程。
在DMA傳輸中,，PEX8311是PCI-E接口的傳輸發(fā)起者（產(chǎn)生TLP）和本地總線的主機(jī),，對于同一時間的訪問，直從模式或直主模式比DMA模式優(yōu)先級更高,，如圖3所示,。
3 狀態(tài)機(jī)設(shè)計
狀態(tài)機(jī)的基本要素有三個：輸入、輸出和狀態(tài),。根據(jù)狀態(tài)機(jī)的輸出是否與輸入條件有關(guān),，可將狀態(tài)機(jī)分為兩大類：摩爾型（Moor）狀態(tài)機(jī)和米勒型（Mealy）狀態(tài)機(jī)[5]。
根據(jù)狀態(tài)機(jī)的設(shè)計步驟,，首先確定狀態(tài)機(jī)的輸入輸出信號,，即DMA傳輸?shù)目刂菩盘枴?/p>
3.1 狀態(tài)機(jī)輸入輸出信號
LCLK：輸入，PEX8311本地總線系統(tǒng)時間,。
LHOLD：輸出,，PEX8311本地總線請求信號，上電為低電平,，當(dāng)PEX8311需要控制本地總線時拉高,，等到LHOLDA信號響應(yīng)后，PEX8311獲得本地總線控制權(quán),。
LHOLDA：輸入,，PEX8311本地總線請求應(yīng)答信號，上電為低電平,，在當(dāng)前總線擁有者響應(yīng)LHOLD信號后,，將LHOLDA拉高。PEX8311未發(fā)出LHOLD信號時,，不能把本地總線的使用權(quán)交給PEX8311,。
LA[31：0]：雙向，本地地址總線,。提供總線物理地址的高30位,。
LD[31：0]：雙向,，本地數(shù)據(jù)總線，當(dāng)PEX8311配置為Local總線主控時,，可以傳輸8 bit,、16 bit或32 bit數(shù)據(jù)。
LBE[3：0]#：雙向,，本地字節(jié)使能信號，利用此信號可以實(shí)現(xiàn)8 bit,、16 bit,、32 bit數(shù)據(jù)傳輸，同時由該管腳提供輔助增加的地址信號,。如果是32 bit數(shù)據(jù)線,，則LBE[3：0]#=0000。
ADS#：三態(tài)雙向,，內(nèi)有上拉電阻,，地址選通信號，表明地址有效,，開始新的總線訪問,，ADS#在每次傳輸?shù)牡谝粋€時鐘周期插入。
BLAST#：雙向,，作為輸入時,，本地總線主機(jī)有效該信號來指示總線的最后一次數(shù)據(jù)傳輸；作為輸出時,，PEX8311有效該信號來指示總線上的最后一次數(shù)據(jù)傳輸,。
READY#：雙向，I/O口就緒信號,。在直從或DMA傳輸下為輸入信號,，表明可讀的數(shù)據(jù)已經(jīng)在總線上有效或待寫數(shù)據(jù)已經(jīng)在下個時鐘上升沿到達(dá)前準(zhǔn)備好；直主模式下為輸出信號,。
LW/R#：雙向,，讀寫控制位，對于DMA塊傳輸,，LW/R#=0為讀信號,，本地總線到PCI-E方向；LW/R#=1為寫信號,，PCI-E到本地總線方向,。
3.2 狀態(tài)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換
DMA傳輸模式分為單周期模式和突發(fā)模式。本設(shè)計中采用單周期模式,。單周期模式是默認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式,。在該模式下,，PEX8311每個數(shù)據(jù)周期都聲明一個ADS#。單周期模式的起始地址可以是任意的,。
Local Bus FSM設(shè)計分為三個狀態(tài)：IDLE,、WAIT和TRANS。其狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖4所示,。
IDLE：為空閑狀態(tài),，當(dāng)FPGA收到lreset復(fù)位信號后，進(jìn)入IDLE狀態(tài),。
WAIT：為等待狀態(tài),，當(dāng)握手信號LHOLD和LHOLDA完成后進(jìn)入WAIT狀態(tài)，進(jìn)行地址空間判斷,，等待地址選通信號有效,。
TRANS：為傳輸狀態(tài)，當(dāng)?shù)刂愤x通信號有效后進(jìn)入傳輸狀態(tài),，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,，直到BLAST#信號有效后，進(jìn)入IDLE狀態(tài),。
FPGA作為Local Bus的控制器,，主要負(fù)責(zé)控制Local Processor與PC端的數(shù)據(jù)傳輸。上電初始化完成后,，PEX8311向FPGA以及其他后端邏輯電路發(fā)送復(fù)位信號,。當(dāng)PC端做好接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備后，PEX8311向FPGA發(fā)送Local Bus的總線請求信號LHOLD,，F(xiàn)PGA向PEX8311發(fā)送請求應(yīng)答信號LHOLDA,，PEX8311獲得總線控制權(quán)，并進(jìn)行地址空間判斷,，向FPGA發(fā)送地址選通信號,，表明地址有效，進(jìn)行新的總線訪問,。在FPGA端,，將經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)存入RAM中，當(dāng)?shù)刂愤x通信號有效后,，置位ram_rd信號,，從RAM中將數(shù)據(jù)讀出，并且使READY#信號有效,，開始進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,，當(dāng)FPGA收到有效的BLAST#信號后，在下一周期使READY#信號無效，進(jìn)入IDLE狀態(tài),，完成一次DMA傳輸,。
3.3 Local Bus狀態(tài)機(jī)Verilog設(shè)計
always@（state or ads_n or lhold or blast_n）
begin
case（state）
IDLE：
begin
if（lhold）
next_state<=WAIT；
else
next_state<=IDLE,；
end
WAIT：
begin
if（~lhold）
next_state<=IDLE,；
else if（!ads_n）
next_state<=TRANS；
else
next_state<=WAIT,；
end
TRANS：
begin
if（~lhold|（~ram_rd_delay[2]&ram_rd_delay[1]））
next_state<=IDLE,；
else
next_state<=TRANS；
end
default：
begin
next_state<=IDLE,；
end
endcase
end
3.4 仿真
圖5為DMA傳輸讀操作仿真圖,。
4 結(jié)論
本文設(shè)計的Local Bus控制器應(yīng)用在PEX8311與FPGA的接口中以實(shí)現(xiàn)DMA傳輸，穩(wěn)定性強(qiáng),，使用靈活,，可隨時改變?yōu)槠渌ぷ髂Ｊ??？蓱?yīng)用于視頻采集卡、數(shù)據(jù)采集卡,。經(jīng)過實(shí)踐證明,，基于FPGA設(shè)計的控制器靈活性強(qiáng)、可編程能力強(qiáng),，能迅速縮短產(chǎn)品研發(fā)上市周期,，滿足客戶需求。
在Verilog的設(shè)計中對代碼的優(yōu)化使用了三段式描述方法[6],。與一段式描述方法相比較,，三段式FSM描述方法對FSM寄存器輸出的描述只需判斷下一狀態(tài)，然后直接將下一狀態(tài)的輸出用寄存器輸出即可,，根本不用考慮狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件（米勒狀態(tài)機(jī)）,。與兩段式描述相比，三段式雖然代碼結(jié)構(gòu)復(fù)雜了一些,，但是換來的優(yōu)勢是使FSM做到了同步寄存器輸出,，消除了組合邏輯輸出的不穩(wěn)定與毛刺的隱患，而且更利于時序路徑分組,，一般來說在FPGA/CPLD等可編程邏輯器件上的綜合與布局布線效果更佳,。
參考文獻(xiàn)
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