PCI總線仲裁器設(shè)計管理論文

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摘要：基于Altera的CPLD器件的pci總線仲裁器設(shè)計，實現(xiàn)仲裁器的AHDL編程，并結(jié)合仿真結(jié)果對PCI總線的仲裁進(jìn)行了論述。

關(guān)鍵詞：PCI仲裁器，CPLD，仿真

PCI總線仲裁器通常是集成在PCI芯片組中。隨著計算機應(yīng)用的深入，尤其是嵌入式系統(tǒng)的不斷發(fā)展，集成的仲裁器難以滿足某些場合的應(yīng)用。而采用CPLD技術(shù)實現(xiàn)的獨立的PCI總線仲裁器，則較好的適應(yīng)了這方面的需求。

一﹑PCI總線仲裁機制

PCI的仲裁是基于設(shè)備訪問，而不是基于時間分配的。在任一時刻，總線上的一個主設(shè)備要想獲得對總線的控制權(quán)，就必須發(fā)出它的請求信號（PCIreqN），如果此刻該設(shè)備有權(quán)控制總線，總線仲裁器就使該設(shè)備的總線占用允許信號（PCIgntN）有效，進(jìn)而獲得總線的使用權(quán)。當(dāng)有多個主設(shè)備同時發(fā)出總線控制請求時，就必須由仲裁器根據(jù)一定的算法判定，當(dāng)前應(yīng)該由哪個主設(shè)備獲得控制權(quán)。

二、仲裁算法

常用的仲裁算法有：公平算法、循環(huán)算法等。

本仲裁器設(shè)計采用的是循環(huán)算法，設(shè)備的優(yōu)先級預(yù)先設(shè)定。目前的設(shè)計實現(xiàn)對四個PCI設(shè)備請求的仲裁，各設(shè)備優(yōu)先級由高到低安排為：設(shè)備0>設(shè)備1>設(shè)備2>設(shè)備3。

系統(tǒng)啟動伊始，沒有設(shè)備使用PCI總線，也沒有設(shè)備請求使用PCI總線，仲裁器總是設(shè)定設(shè)備0擁有總線控制權(quán)，即將總線停靠于設(shè)備0。此時設(shè)備0的PCIgntN是有效的。而在此之后，仲裁器總是指定PCI總線的最后一個使用者為總線的停靠設(shè)備。

當(dāng)有一個或多個設(shè)備提出擁有總線使用權(quán)的請求時，仲裁器將按照事先安排的設(shè)備優(yōu)先級順序逐一查詢。對于只有一個設(shè)備請求的情況，該設(shè)備的請求將會馬上得到響應(yīng)；如果多個設(shè)備同時發(fā)出請求時，仲裁器裁定首先響應(yīng)優(yōu)先等級高的設(shè)備的請求，當(dāng)此設(shè)備完成數(shù)據(jù)傳輸交出總線使用權(quán)后，再由優(yōu)先等級低的設(shè)備使用總線。示意框圖見圖2。

如果一個設(shè)備已獲得總線使用權(quán)并且正在進(jìn)行地址、數(shù)據(jù)傳輸時，比它優(yōu)先級別高的設(shè)備也發(fā)出了占用請求，仲裁器將會撤銷優(yōu)先級別低的設(shè)備的總線占用信號，并把總線使用權(quán)交給優(yōu)先級別高的設(shè)備，同時還要確保在任一時刻不會出現(xiàn)多個設(shè)備同時占用總線的情況。具體見仿真分析。

三、編程設(shè)計與實現(xiàn)

本設(shè)計使用AHDL語言，在MaxplusII10.0上編譯通過，并進(jìn)行了仿真。

1.仲裁器信號定義

SUBDESIGNPCI_arb

(--輸入

PCIclk：INPUT--PCI時鐘

Arbiter_rstN：INPUT--復(fù)位信號

PCIreqN[3..0]：INPUT--總線占用請求信號

frameN：INPUT--數(shù)據(jù)交易的啟動或開始，主設(shè)備發(fā)出

irdyN：INPUT--交易數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，主設(shè)備發(fā)出

--輸出

PCIgntN[3..0]：OUTPUT--總線占用允許信號

)

frameN和irdyN決定了總線的狀態(tài)，只要兩個信號中的一個有效，就表明總線上有數(shù)據(jù)通過，總線處于忙狀態(tài)；當(dāng)兩個信號都無效時，則總線處于空閑狀態(tài)。

2.仲裁器狀態(tài)機定義

parb_sm:MACHINE

OFBITS(PARB2,PARB1,PARB0)

WITHSTATES(

PARB_SLT0=0,--PCIgnt0#有效，設(shè)備0擁有總線使用權(quán)，總線空閑

PARB_SLT0D=1,--PCIgnt0#有效，數(shù)據(jù)在總線上傳輸，總線處于忙狀態(tài)

PARB_SLT1=2,--以下類同

PARB_SLT1D=3,

PARB_SLT2=4,

PARB_SLT2D=5,

PARB_SLT3=6,

PARB_SLT3D=7)；

3.仲裁的實現(xiàn)

由于采用循環(huán)算法，對每一個設(shè)備而言狀態(tài)的變換都是相同的，下面僅以設(shè)備0的狀態(tài)轉(zhuǎn)換為例：

CASEparb_smIS

WHENPARB_SLT0=>

IF(!frameN#!irdyN#frameN&irdyN&PARBtout4)THEN

IF(!PCIreqN1)THEN

PCIgntN1=GND;

parb_sm=PARB_SLT1D;

ELSIF(!PCIreqN2)THEN

PCIgntN2=GND;

parb_sm=PARB_SLT2D;

ELSIF(!PCIreqN3)THEN

PCIgntN3=GND;

parb_sm=PARB_SLT3D;

ELSE

PCIgntN0=GND;

parb_sm=PARB_SLT0D;

ELSE

PCIgntN0=GND;

parb_sm=PARB_SLT0D;

ENDIF;

WHENPARB_SLT0D=>

PCIgntN0=GND;

IF(frameN&irdyN)THEN

parb_sm=PARB_SLT0;

ELSE

Parb_sm=PARB_SLT0D;

ENDIF;

為了避免AD線上和PAR線上出現(xiàn)時序競爭，一個設(shè)備的PCIgntN信號有效和另一個設(shè)備的PCIgntN的撤銷，如果不是在總線空閑狀態(tài)，則兩者之間至少要有一個時鐘的延遲。設(shè)計中，將每個設(shè)備占用總線的狀態(tài)分為兩部分，PARB_SLTx(總線空閑)和PARB_SLTxD(總線忙)；狀態(tài)機不能從一個設(shè)備的PARB_SLTxD狀態(tài)直接轉(zhuǎn)到另一個設(shè)備的PARB_SLTyD狀態(tài)，中間必須經(jīng)過至少一個時鐘的PARB_SLTx狀態(tài)的銜接，這樣就避免了總線上競爭的出現(xiàn)。

代碼中，PARBtout為一5位計數(shù)器，對PCI時鐘個數(shù)進(jìn)行計數(shù)，用來判別設(shè)備發(fā)出請求信號后是否在規(guī)定時間內(nèi)（16個時鐘，即PARBtout[4..0]=10000）占據(jù)了總線，啟動了數(shù)據(jù)的傳輸；如果超時，則撤銷該設(shè)備的請求信號，并按預(yù)設(shè)的優(yōu)先級順序，對其余設(shè)備總線使用權(quán)進(jìn)行新一輪的裁定。計數(shù)器的編程實現(xiàn)：

IF(PARBtout4#PCIreqN0&PCIreqN1&PCIreqN2&PCIreqN3)THEN

PARBtout[]=0;

ELSIF(frameN&irdyN)THEN

PARBtout[]=PARBtout[]+1;

ELSE

PARBtout[]=0;

ENDIF;

四、仿真分析

1.單一設(shè)備總線請求情況

系統(tǒng)初始化后自動將總線停靠于設(shè)備0上,總線處于空閑狀態(tài)，frameN、irdyN均為高電平。需要強調(diào)的一點是，仲裁所用的PCI控制信號均在PCI時鐘信號的上升沿采樣而得。如圖3所示，設(shè)備2發(fā)出總線占用信號，仲裁器在時鐘上升沿A處采樣到該信號，并開始啟動PARBtout計數(shù)，此時的frameN、irdyN為高電平，設(shè)備0仍然擁有總線使用權(quán)；隨后設(shè)備2驅(qū)動使得frameN和irdyN有效，在時鐘上升沿B處，仲裁器采樣到frameN和irdyN，計數(shù)器清零，使設(shè)備2的PCIgntN2信號有效，從而占用總線，設(shè)備把地址、數(shù)據(jù)驅(qū)動到總線上，總線處于忙狀態(tài)。

之后，設(shè)備2撤銷其PCIreqN2信號，放棄對總線的占用；接著frameN、irdyN信號相繼無效，表明數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瓿桑偩€變?yōu)榭臻e，仲裁器在C處采樣后，將總線停靠在設(shè)備2上。

2.多個設(shè)備同時請求總線使用權(quán)（以兩個設(shè)備為例）

設(shè)備3首先發(fā)出請求信號，仲裁器在時鐘A處采樣后，計數(shù)器開始計數(shù)，此時總線仍然為設(shè)備0占用著；在時鐘B處的采樣，檢測到frameN有效，表明數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_始，仲裁器使得PCIgntN3信號有效，設(shè)備3獲得總線所有權(quán)；

在隨后的一個時鐘上升沿，仲裁器采樣到設(shè)備2的總線請求信號，此時由于frameN、irdyN依然有效，表明數(shù)據(jù)傳輸正在進(jìn)行中，必須等當(dāng)前數(shù)據(jù)傳輸完成后，設(shè)備2才能占用總線進(jìn)行自己的數(shù)據(jù)傳輸，此時仲裁器隱含設(shè)定設(shè)備2擁有總線使用權(quán)。設(shè)備3在時鐘C之前使得frameN、irdyN無效，總線進(jìn)入空閑狀態(tài)，停靠在設(shè)備3上。設(shè)備2檢測到總線空閑，驅(qū)動自己的frameN、irdyN信號，仲裁器在時鐘D處采樣到有效的frameN、irdyN信號后，使PCIgntN2有效，設(shè)備2占據(jù)總線，開始數(shù)據(jù)的傳輸。設(shè)備2使用完總線后，使總線回到空閑狀態(tài)，停靠在設(shè)備2上；設(shè)備3檢測到總線空閑，再次驅(qū)動frameN、irdyN有效，從而再次獲得總線使用權(quán)(時鐘上升沿F處)。所有傳輸完成后，總線將停靠在設(shè)備3上。

值得一提的是，如果設(shè)備3在被迫交出總線前不能完成所有數(shù)據(jù)的傳輸，它必須使自己的PCIreqN3信號持續(xù)有效，這樣在設(shè)備2用完總線后，仲裁器能將使用權(quán)交回，從而完成剩余數(shù)據(jù)的傳輸。

圖5為設(shè)備獲得總線使用權(quán)，在設(shè)定的16個時鐘周期內(nèi)沒有啟動傳輸，仲裁器狀態(tài)的變換。仍以兩個設(shè)備為例。

五、應(yīng)用CPLD進(jìn)行PCI總線仲裁器的設(shè)計，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單；配置靈活，可以根據(jù)系統(tǒng)的需要，對有關(guān)信號進(jìn)行裁減或者擴展；在線修改方便。本設(shè)計采用Altera的EPM3064實現(xiàn)，并應(yīng)用于所設(shè)計的系統(tǒng)板中。