嵌入式系统中PCI总线仲裁器的设计方法

　　嵌入式系统（Embedded system），是一种“完全嵌入受控器件内部，为特定应用而设计的专用计算机系统”，根据英国电器工程师协会（ U.K. Institution of Electrical Engineer）的定义，嵌入式系统为控制、监视或辅助设备、机器或用于工厂运作的设备。与个人计算机这样的通用计算机系统不同，嵌入式系统通常执行的是带有特定要求的预先定义的任务。由于嵌入式系统只针对一项特殊的任务，设计人员能够对它进行优化，减小尺寸降低成本。由于嵌入式系统通常进行大量生产。所以单个的成本节约，能够随着产量进行成百上千的放大。

　　PCI总线是现今为流行的工业控制总线之一。它广泛地应用在计算机中，很多目标嵌入式设备中的解决方案都包含了PCI总线。这里介绍一种基于CPLD（复杂可编程逻辑器件）的PCI总线仲裁器的设计方法，可以为系统量身定制适合于系统本身的PCI总线仲裁器。

　　1 PCI总线仲裁简介

　　1.1 PCI总线的仲裁原理

　　PCI总线是一种共享式的总线，可以连接多个主设备，但由于数据传输的独占性，每一时刻只能由一个主设备占用总线。因此，为了有效地利用PCI总线宽带，必须设置一个总线仲裁器，按照一定的算法协调系统中各个主设备的操作。

　　PCI总线仲裁的裁决过程可以在PCI传输期间完成，并不占用PCI总线的宽带，这称为隐式仲裁，即需要发起PCI操作的设备可以随时发出请求REQ＃，PCI仲裁器立即批准该请求被给出GNT＃，但是真正的传输操作一定要等到当前传输完成，即总线空闲后才可以开始，图1描述了PCI总线设备与仲裁器的关系。

　　1.2 PCI总线仲裁规则约定

　　（1）仲裁器的仲裁算法必须保证所有的设备都能得到授权的机会，否则将会出现某个优先级低的设备永远不能占有总线进行事务操作的情况。

　　（2）如果FRAME无效，GNT可以在任意时间撤销，以便服务于另一个主设备或者作为对主设备车REQ的响应。

　　（3）如果GNT信号被撤销但FRAME有信号，当前的总线正在传输数据，则操作合法。

　　（4）如果总线不处于空闲状态，则允许一个GNT的撤销和另一个GNT的发生在同一个周期，如果处在空闲状态，则要求一个GNT撤销到下一个GNT的发出之间必须有一个时钟周期间隔，否则可能会在AD线和PAR线上出现冲突。

　　（5）GNT信号的每次发出，只限于相应的总线主控器可以使用总线进行总线操作。仲裁器会按照特定的仲裁算法来决定是否仍判给该主设备。

　　（6）一个主控器可以在任意时刻撤销其REQ信号，REQ信号一旦撤销，仲裁器将认为该设备不再请求使用总线，因而撤销其GNT信号。

　　（7）如果当前的主控器在它的GNT信号发出后，持续16个空闲周期还没有开始总线操作，则仲裁器视其为超时，仲裁器可以在任意时刻撤销GNT信号。

　　1.3 PCI总线仲裁的算法

　　目前，应用于PCI总线仲裁的算法主要有固定优先级算法和动态优先级算法两种，在固定优先级算法中，各个设备的优先级是事先确定好的，仲裁器针对事先设定好的优先级为每个设备分配使用权。常用的是循环优先级算法，即每次仲裁授权后将排队中的设备优先级加1。因其算法简单，且对大部分应用都十分有效。

　　1.4 总线停靠

　　当PCI总线空闲时，一个设备从申请总线到被授权使用，也需要2个时钟周期，这对于PCI总线是一种浪费。因此仲裁器通常选中一个经常占用总线的设备，PCI总线空闲时将GNT＃赋予它，这叫做总线停靠。当总线空闲时，该设备需要占用总线时可马上得到批准。

　　2 双主设备PCI总线仲裁器的实现

　　下面描述了一个具有两个设备的总线仲裁器的硬件实现，其一为TriMedia嵌入式DSPCPU PNX1300，其二为Intel i82559网络控制器，系统结构如图2所示。

　　该仲裁器的接口信号如表1所示。

　　为了设计方便起见，在程序中设计三类状态机：总线状态状态机、总线主设备查询状态机、仲裁状态机。

　　2.1 总线状态状态机

　　总线状态状态机用于记录总线事务的状态，定义如下：

　　type bus_state is（IDLE，BUSY，LAST_DATA，FINISH）

　　四种状态分别表示总线空闲、忙、一个数据传输期以及传输完成。状态图如图3。

　　下面是以VHDL代码形式实现的该状态机的状态转换关系。

　　2.2总线主设备查询状态机

　　总线主设备查询状态机用来决定当前是否需要重新指定一个主设备，重新指定一个主设备的条件是：（1）当前被授权的设备已开始传输；（2）当前被授权的设备没有开始传输并且超时。将主设备查询状态分为IDLE、GNT1、GNT2、WAIT_NOBUSY和WAIT_BUSY2五个状态，并设置计数器count，当总线上某个设备被授权，16个周期仍然没有开始操作，count超过16，被视为超时，仲裁器可以撤销其仲裁授权，并传授其他设备，程序根据这个状态机的输出结果决定仲裁状态机是否改变。

　　状态转换如图4所示，状态机描述的VHDL代码略。

　　主设备查询状态机的输出信号search_master：

　　该状态机的驱动条件是由总线状态状态机的输出结果、仲裁状态机的状态以及计数器产生的超时信号组成。该状态机的输出search_master作为仲裁状态机状态转换使能信号，该信号有效时，仲裁状态机才进行当前状态的改变。

　　2.3 仲裁状态机

　　仲裁状态机表示总线仲裁器的状态，定义如下：

　　状态转变过程如图5所示，状态机描述的VHDL代码略。

　　仲裁器根据仲裁状态机当前状态控制仲裁授权信号的给出。

　　2.4仿真波形图

　　由图6可看出，测试文件模拟了一个设备申请和两个设备同时申请的情况，并给出了总线授权信号，验证了仲裁器逻辑的正确性。

　　2.5 资源占用情况分析

　　可编程逻辑器件使用Lattice公司的ispLSI2064E135LT100，在ispLever中综合本例程序，结果如表2。

　　综合后的延迟分析显示，该逻辑的时钟周期为7.5ns，即该逻辑可以运行在133MHz以下的系统中，完全可以胜任33MHz PCI总线的仲裁工作。