8位單片機在嵌入式系統(tǒng)中應用廣泛，然而讓它直接與PCI總線設備打交道卻有其固有缺陷。8位單片機只有16位地址線，8位數(shù)據(jù)端口，而PCI總線2.0規(guī)范中，除了有32位地址數(shù)據(jù)復用AD[3～0]外，還有FRAME、IRDY、TRDY等重要的信號線。讓單片機有限的I/O端口來直接控制如此眾多的信號線是不可能的。一種可行的方案就是利用CPLD作為溝通單片機與PCI設備間的橋梁，充分利用CPLD中I/O資源豐富，用戶可自定制邏輯的優(yōu)勢，來幫助單片機完成與PCI設備間的通信任務。

       1 PCI接口設計原理

       1.1 PCI總線協(xié)議簡介

這里只討論PCI總線2.0協(xié)議，其它協(xié)議僅僅是在2.0的基礎(chǔ)上作了一些擴展，僅就單片機與PCI設備間的通信來說，意義不大。PCI總線是高性能局部總線，工作頻率0～33MHz，可同時支持多組外圍設備。在這里，我們只關(guān)心單片機與一個PCI設備間通信的情況，而且是以單片機與CPLD一方作為主控方，另一方作為PCI從設備。這樣做的目的是為了簡化問題，降低系統(tǒng)造價。

       PCI總線上信號線雖多，但并不是每個信號都要用到。實際上PCI設備也并不會支持所有的信號線，比如錯誤報告信號PERR與SERR在網(wǎng)卡中就不支持。我們可以針對具體的應用選擇支持其中部分信號線，還有一些信號線可以直接連電源或接地。下面簡單介紹一下常用信號線的功能。

       AD[31～0]：地址數(shù)據(jù)多路復用信號。在FRAME有效的第一個周期為地址，在IRDY與TRDY同時有效的時候為數(shù)據(jù)。

       C/BE[3～0]：總線命令與字節(jié)使能控制信號。在地址其中傳輸?shù)氖强偩€命令；在數(shù)據(jù)期內(nèi)是字節(jié)使能控制信號，表示AD[31～0]中那些字節(jié)是有效數(shù)據(jù)。表1是總線命令編碼的說明。

       PCI總線上所有的數(shù)據(jù)傳輸基本上都由以下三條信號線控制。

       FRAME：幀周期信號。由主設備驅(qū)動，表示一次訪問的開始和持續(xù)時間，F(xiàn)RAME有效時（0為有效，下同），表示數(shù)據(jù)傳輸進行中，失效后，為數(shù)據(jù)傳輸最后一個周期。

       IRD：主設備準備好信號。由主設備驅(qū)動，表示主設備已經(jīng)準備好進行數(shù)據(jù)傳輸。

       TRDY：從設備準備好信號。由從主設備驅(qū)動，表示從設備已經(jīng)準備好進行數(shù)據(jù)傳輸。當IRDY與TRDY同時有效時，數(shù)據(jù)傳輸才會真正發(fā)生。

       另外，還有IDSEL信號用來在配置空間讀寫期間作為片選信號。對于只有一個PCI從設備的情況，它總可以接高電平。IDSEL信號由從設備驅(qū)動，表示該設備已成為當前訪問的從設備，可以不理會。

       在PCI總線上進行讀寫操作時，PCI總線上的各種信號除了RST、IRQ、IRQC、IRQ之外，只有時鐘的下降沿信號會發(fā)生變化，而在時鐘上升沿信號必須保持穩(wěn)定。

       1.2 CPLD設計規(guī)劃

       出于對單片機和CPLD處理能力和系統(tǒng)成本的考慮，下面的規(guī)劃不支持PCI總線的線性突傳輸?shù)刃枰B續(xù)幾個數(shù)據(jù)周期的讀寫方式，而僅支持一個址周期加一個數(shù)據(jù)周期的讀寫方式。對于大部分應用而言，這種方式已經(jīng)足夠了。圖1與圖2是經(jīng)過簡化后的PCI總線讀寫操作時序。

       在CPLD內(nèi)設有13個8位寄存器用來保存進行一次PCI總線讀寫時所需要的數(shù)據(jù)，其中pci_address0～pci_address3是讀寫時的地址數(shù)據(jù)；pcidatas0～pci_datas3是要往PCI設備寫的數(shù)據(jù)；pci_cbe[3～0]保存 地址周期時的總線命令，PCI_cbe[7～4]保存數(shù)據(jù)周期時的字節(jié)使能命令；pci_data0～pci_data3保存從PCI設備返回的數(shù)據(jù)；pci_request是PCI總線讀寫操作狀態(tài)寄存器，用于向單片機返回一些信息。當單片機往pci_cbe寄存器寫入一個字節(jié)的時候，會復位CPLD中的狀態(tài)機，觸發(fā)CPLD進行PCI總線的讀寫操作；單片機則通過查詢pci_request寄存器得知讀寫操作完成，再從pci_data寄存器讀出PCI設備返回的數(shù)據(jù)。

       CPLD中狀態(tài)機的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖3所示。每一個狀態(tài)對應FRAME與IRD信號的一種輸出，而其它輸入輸出信號線可由這兩個信號線和pci_cbe的值及TRDY的狀態(tài)決定。當FRAME為有效時，AD[31～0]由pci_address驅(qū)動，而C/BE[3～0]由pci_cbe低4位驅(qū)動；當IRDY有效時，C/BE[3～0]視總線命令，要么由pci_cbe高4位驅(qū)動，要么設為高阻態(tài)，而AD[31～0]在pci_cbe[0]為“0”時，（PCI讀命令）設為高阻態(tài)，而在pci_cbe[0]為“1”時（PCI讀命令）由pci_datas驅(qū)動。另外一方面，一旦TRDY信號線變?yōu)榈碗娖?，AD[31～0]線上的數(shù)據(jù)被送入pci_data寄存器，而C/BE[3～0]線上的數(shù)據(jù)被送入pci_request寄存器的低4位。

考慮到在不正常情況下，PCI設備不會對PCI總線作出響應，即TRDY不會有效，為了不使狀態(tài)機陷入狀態(tài)S2的僵持局面，另外增設了一個移位計數(shù)器mycounter。當IRD信號有效時，計數(shù)器開始計數(shù)。計數(shù)溢出之后，不論PCI總線操作是否完成，狀態(tài)機都會從狀態(tài)S2轉(zhuǎn)移到狀態(tài)S3，即結(jié)束PCI總線操作。當TRDY有效時，會立即置位mycounter.cout。

       PCI總線操作是否正確完成，可查詢pci_request的最高位是否為“1”，而IRDY與FRAME的值可分別查詢pci_request的第4位和第5位。這兩位反映了PCI總線操作所處的狀態(tài)，兩位都為“1”時可以認為PCI總線操作已經(jīng)完成。在實踐中，如果單片機的速度不是足夠快的話，可以認為PCI總線操作總是即時完成的。這幾位的實現(xiàn)可參考源程序。

       2 PCI設計接口實現(xiàn)

       2.1 CPLD ABEL HDL程序設計

       我們針對8位單片機控制PCI以太網(wǎng)卡進行了程序設計，CPLD器件選用ALTERA的MAX7000系列。針對以太網(wǎng)卡的特點在邏輯上進行了再次簡化，最張程序?qū)⑦m配進EPM7128芯片中，并在實踐中檢驗通過。

       以太網(wǎng)卡僅支持對配置空間和I/O空間的讀寫操作，而且這兩個空間的地址都可以設置在0xFF以內(nèi)，所以可以只用一個pci_address0寄存器，其它地址都直接設為“0”；如果再限制，每次只往網(wǎng)卡寫入一個字節(jié)數(shù)據(jù)，則可以只用一個pci_datas0寄存器，其它數(shù)值在具體操作時設成與pci_datas0寄存器的一樣即可。

       以下是ABEL HDL主要源碼。其中16dmux是4～16位譯碼器，用于地址譯碼，選通CPLD內(nèi)的寄存器；8dffe是8位的DFFE；abelcounter是8位移位計數(shù)器；mylatch8與mylatch1分別為8位與1位鎖存器，而mylatchc是帶清零1位鎖存器；其它以“my”開始的變量都是三態(tài)緩沖器，以“out”開始的變量是三態(tài)節(jié)點，以“e”開始的變量是普通節(jié)點。這此在程序中不再聲明。

SUBDESIGN abelpci

（

P2[7..3] : INPUT;

READ0 : INPUT

WRITE0 : INPUT;

P0[7..0] : BIDIR;

CLK : INPUT;

TRDY0 : INPUT;

AD[31..] : BIDIR;

CBE[3..0] : BIDIR;

IRDY0 : OUTPUT;

FRAME0 : OUTPUT;

)

VARIABLE

decoder : 16dmux;

mycounter : abelcounter;

pci_c be : 8DFFE;

PCI_address0 : 8DFFE;

pci_datas0 : 8DFFE;

pci_request[6..0] : mylatch1;

pci_request7 : mylatchc;

pci_data0 : mylatch8;

pci_data1 : mylatch8;

pci_data2 : mylatch8;

pci_data3 : mylatch8;

ss : MACHINE OF BITS (FRAME0,IRDY0)

WITH STATES(s0 = B"11",

s1=B"01");

s2=B"10";

S3=B"11");

BEGIN

decoder.(d,c,b,a)=P2[6..3];

enareg[]=decoder.q[];

pci_che.ena=enareg[0]&p2[7];

pci_cbe.d[]=p0[];

pci_cbe.clk=!WRITE0;

pci_address0.ena=enareg[1]&p2[7]l

pci_address0.d[]=P0[];

pci_datas0.ena=enareg[9]&P2[7];

pci_datas0.d[]=P0[];

pci_datas0.clk=!WRITE0;

pci_data0.gate=!TRDY0;

pci_data0.data[]=AD[7..0];

pci_data1.gate=!TRDY0;

pci_data1.data[]=AD[15..8];

pci_data2.gate=!TRDY0;

pci_data2.data[]=AD[23..16];

pci_data3.gate=!TRDY0;

pci_data3.data[]=AD[31..24];

pci_request[3..0].gate=!TRDY0;

pci_request7.gate=!TRDY0;

pci_request7.aclr=P2[7]&!WRITE0;

pci_request[3..0].data=CBE[];

pci_request[4].data=IRDY0;

pci_request[5].data=FRAME0;

pci_request[6].data=Vcc;

pci_request7.data=Vcc;

eread=P2[7]&!READ0 & WRITE0;

my_P0_data0[].in=pci_data0.q[];

my_P0_data0[].oe=enareg[5]&eread;

my_P0_data1[].in=pci_data1.q[];

my_P0_data1[].oe=enareg[6]&eread;

my_P0_data2[].in=pci_data2.q[];

my_P0_data2[].oe=enareg[7]&eread;

my_P0_data3[].in=pci_data3.q[];

my_P0_data3[].oe=enareg[8]&eread;

my_P0_request[6..0].in=pci_request[6..0].q;

my_P0_request[7].in=pci_request7.q;

my_P0_request[].oe=enareg[13]&eread;

out_P0[]=my_P0_data0[];

out_P0[]=my_P0_data1[];

out_P0[]=my_P0_data2[];

out_P0[]=my_P0_data3[];

out_P0[]=my_P0_request[];

P0[]=out_P0[];

enclr=enareg[0]&P2[7]&!WRITE0;

mycounter.clock=CLK;

mycounter.cnt_en=!IRDY0;

mycounter.aclr=!FRAME0;

mycounter.sset=!TRDY0;

ss.clk=!CLK;

ss.reset=enclr;

ss.ena=Vcc;

CASE ss IS

WHEN s0 => ss="s1";

WHEN s1 => ss="s2";

WHEN s2 => IF mycounter.cout THEN ss =s3;ELSE ss="s2";

END IF;

WHENf s3 => ss="s3";

END CASE;

my_AD_address[7..0].in=in=pci_ address0;

my_AD_address[31..8].in=GND;

my_AD_address[31..0].oe=!FRAME0;

my_CBE_c[].in=PCI_cbe.d[3..0];

my_CBE_c[].oe=!FRAME0;

my_AD_data[31..0].in=pci_datas0.q[8..1];

my_AD_data[31..0].oe=pci_cbe_[0]&FRAME0;

my_CBE_be[].in=pci_cbe.d[7..4];

my_CBE_be[].oe=FRAME0;

out_AD[]=my_AD_address[];

out_AD[]=my_AD_data[];

AD[]=out_AD[];

out_CBE[]=my_CBE_c[];

out_CBE[]=my_CBE_be[];

CBE[]=out_CBE[];

END;

       2.2 單片機PCI讀寫C語言程序設計

       在CPLD在幫助下，單片機讀寫PCI設備就變得相當簡單。首先，將pci_cbe等寄存器都聲明為外部存儲器變量，并根據(jù)CPLD的設計指定地址。然后，傳遞適當?shù)膮?shù)給以下兩個讀寫子函數(shù)，即可完成對PCI設備配置空間、I/O空間、存儲器空間的讀寫操作。從PCI設備的返回數(shù)據(jù)存放在全局變量savedata中。

       實際上在寫PCI設備時，也可以從pci_data中得到返回數(shù)據(jù)。這個數(shù)據(jù)必須等于往PCI設備寫的數(shù)據(jù)，原因參見ABEL HDL設計部分。利用這一點可以進行差錯檢驗和故障判斷，視具體應用而定。

bdate unigned char request;

sbit IRDY0=request^4;

sbit FRAME0=request^5;

sbit VALID="request"^7;

void readpci(unsigned char addr,unsigned char cbe){

pci_address0=addr;

pci_cbe=cbe;

request=pci_request;

while(!IRDY0 & FRAME0)) request="pci"_request;

savedata0=pci_data0;

savedata1=pci_data1;

savedata2=pci_data2;

savedata3=pci_data3;

if(!VALID)printf("Data read is invalid! ");

}

void writepci(uchar addr,uchar value0,uchar cbe){

data uchar temp;

pci_address0=addr;

pci_datas0=value0;

pci_cbe=cbe;

request=pci_request;

while(!(IRDY0 & FRAME0)) request="pci"_request;

if(!VALID)printf("Data write is invalid!");

}