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PCI總線仲裁器的設計與實現
摘要：基于Altera的CPLD器件的PCI總線仲裁器設計，實現仲裁器的AHDL編程，并結合仿真結果對PCI總線的仲裁進行了論述。關鍵詞：PCI仲裁器，CPLD，仿真
PCI總線仲裁器通常是集成在PCI芯片組中。隨著計算機應用的深入，尤其是嵌入式系統的不斷發展，集成的仲裁器難以滿足某些場合的應用。而采用CPLD技術實現的獨立的PCI總線仲裁器，則較好的適應了這方面的需求。
一﹑PCI總線仲裁機制
PCI的仲裁是基于設備訪問，而不是基于時間分配的。在任一時刻，總線上的一個主設備要想獲得對總線的控制權，就必須發出它的請求信號（PCIreqN），如果此刻該設備有權控制總線，總線仲裁器就使該設備的總線占用允許信號（PCIgntN）有效，進而獲得總線的使用權。當有多個主設備同時發出總線控制請求時，就必須由仲裁器根據一定的算法判定，當前應該由哪個主設備獲得控制權。
二、仲裁算法
常用的仲裁算法有：公平算法、循環算法等。
本仲裁器設計采用的是循環算法，設備的優先級預先設定。目前的設計實現對四個PCI設備請求的仲裁，各設備優先級由高到低安排為：設備0 >設備1 > 設備2 > 設備3。
系統啟動伊始，沒有設備使用PCI總線，也沒有設備請求使用PCI總線，仲裁器總是設定設備0擁有總線控制權，即將總線�？坑谠O備0。此時設備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�？吭O備。
當有一個或多個設備提出擁有總線使用權的請求時，仲裁器將按照事先安排的設備優先級順序逐一查詢。對于只有一個設備請求的情況，該設備的請求將會馬上得到響應；如果多個設備同時發出請求時，仲裁器裁定首先響應優先等級高的設備的請求，當此設備完成數據傳輸交出總線使用權后，再由優先等級低的設備使用總線。示意框圖見圖2。
如果一個設備已獲得總線使用權并且正在進行地址、數據傳輸時，比它優先級別高的設備也發出了占用請求，仲裁器將會撤銷優先級別低的設備的總線占用信號，并把總線使用權交給優先級別高的設備，同時還要確保在任一時刻不會出現多個設備同時占用總線的情況。具體見仿真分析。
三、編程設計與實現
本設計使用AHDL語言，在MaxplusII 10.0上編譯通過，并進行了仿真。
1. 仲裁器信號定義
SUBDESIGN PCI_arb
( -- 輸入
PCIclk ：INPUT -- PCI時鐘
Arbiter_rstN ：INPUT -- 復位信號
PCIreqN[3..0] ：INPUT -- 總線占用請求信號
frameN ：INPUT -- 數據交易的啟動或開始，主設備發出
irdyN ：INPUT --交易數據準備好，主設備發出
-- 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，只要兩個信號中的一個有效，就表明總線上有數據通過，總線處于忙狀態；當兩個信號都無效時，則總線處于空閑狀態。
2. 仲裁器狀態機定義
parb_sm : MACHINE
OF BITS ( PARB2 , PARB1 , PARB0 )
WITH STATES (
PARB_SLT0 = 0, -- PCIgnt0#有效，設備0擁有總線使用權，總線空閑
PARB_SLT0D = 1, -- PCIgnt0#有效，數據在總線上傳輸，總線處于忙狀態
P
ARB_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
由于采用循環算法，對每一個設備而言狀態的變換都是相同的，下面僅以設備0的狀態轉換為例：
CASE parb_sm IS
WHEN PARB_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;
END IF;
WHEN PARB_SLT0D =>
PCIgntN0 = GND;
IF ( frameN & irdyN ) THEN
parb_sm = PARB_SLT0;
ELSE
Parb_sm = PARB_SLT0D;
END IF;
為了避免AD線上和PAR線上出現時序競爭，一個設備的PCIgntN信號有效和另一個設備的PCIgntN的撤銷，如果不是在總線空閑狀態，則兩者之間至少要有一個時鐘的延遲。設計中，將每個設備占用總線的狀態分為兩部分，PARB_SLTx(總線空閑)和PARB_SLTxD(總線忙)；狀態機不能從一個設備的PARB_SLTxD狀態直接轉到另一個設備的PARB_SLTyD狀態，中間必須經過至少一個時鐘的PARB_SLTx狀態的銜接，這樣就避免了總線上競爭的出現。
代碼中，PARBtout為一5位計數器，對PCI時鐘個數進行計數，用來判別設備發出請求信號后是否在規定時間內（16個時鐘，即PARBtout[4..0] = 10000）占據了總線，啟動了數據的傳輸；如果超時，則撤銷該設備的請求信號，并按預設的優先級順序，對其余設備總線使用權進行新一輪的裁定。計數器的編程實現：
IF ( PARBtout4 # PCIreqN0 & PCIreqN1 & PCIreqN2 & PCIreqN3 ) THEN
PARBtout [ ] = 0;
ELSIF ( frameN & irdyN ) THEN
PARBtout [ ] = PARBtout [ ] + 1;
ELSE
PARBtout [ ] = 0;
END IF;
四、仿真分析
1. 單一設備總線請求情況
系統初始化后自動將總線�？坑谠O備0上,總線處于空閑狀態，frameN、irdyN均為高電平。需要強調的一點是，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，設備2發出總線占用信號，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，此時的frameN、irdyN為高電平，設備0仍然擁有總線使用權；隨后設備2驅動使得frameN和irdyN有效，在時鐘上升沿B處，仲裁器采樣到frameN和irdyN，計數器清零，使設備2的PCIgntN2信號有效，從而占用總線，設備把地址、數據驅動到總線上，總線處于忙狀態。
之后，設備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，表明數據傳輸的完成，總線變為空閑，仲裁器在C處采樣后，將總線停靠在設備2上。
2. 多個設備同時請求總線使用權（以兩個設備為例）
設備3首先發出請求信號，仲裁器在時鐘A處采樣后，計數器開始計數，此時總線仍然為設備0占用著；在時鐘B處的采樣，檢測到frameN有效，表明數據傳輸的開始，仲裁器使得PCIgntN3信號有效，設備3獲得總線所有權；
在隨后的一個時鐘上升沿，仲裁器采樣到設備2的總線請求信號，此時由于frameN、irdyN依然有效，表明數據傳輸正在進行中，必須等當前數據傳輸完成后，設備2才能占用總線進行自己的數據傳輸，此時仲裁器隱含設定設備2擁有總線使用權。設備3在時鐘C之前使得frameN、irdyN無效，總線進入空閑狀態，停靠在設備3上。設備2檢測到總線空閑，驅動自己的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，設備2占據總線，開始數據的傳輸。設備2使用完總線后，使總線回到空閑狀態，�？吭谠O備2上；設備3檢測到總線空閑，再次驅動frameN、irdyN有效，從而再次獲得總線使用權(時鐘上升沿F處)。所有傳輸完成后，總線將�？吭谠O備3上。
值得一提的是，如果設備3在被迫交出總線前不能完成所有數據的傳輸，它必須使自己的PCIreqN3信號持續有效，這樣在設備2用完總線后，仲裁器能將使用權交回，從而完成剩余數據的傳輸。
圖5為設備獲得總線使用權，在設定的16個時鐘周期內沒有啟動傳輸，仲裁器狀態的變換。仍以兩個設備為例。
五、應用CPLD進行PCI總線仲裁器的設計，系統結構簡單；配置靈活，可以根據系統的需要，對有關信號進行裁減或者擴展；在線修改方便。本設計采用Altera的EPM3064實現，并應用于所設計的系統板中。
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