基于IP模塊的PCI接口設(shè)計及FPGA實現(xiàn)

　　PCI局部總線不僅是目前最新的計算機總線，而且是一種兼容性最強、功能最全的計算機總線。它可同時支持多組外圍設(shè)備，而且不受制于處理器，為CPU及高速外圍設(shè)備提供高性能、高吞吐量、低延遲的數(shù)據(jù)通路。圖形用戶界面（GUI）、高清晰度電視（HDTV）、三維視頻多媒體顯示等新技術(shù)的發(fā)展以及高速通訊系統(tǒng)的廣泛需求使PCI具有良好的應(yīng)用前景。針對這種趨勢，國外許多芯片廠家設(shè)計生產(chǎn)了各種各樣的PCI專用集成電路。

　　目前國內(nèi)系統(tǒng)廠家的PCI總線接口一般采用國外的PCI專用芯片，如TUNDRA公司的Qspan、PLX公司9050、INTEL公司的21554等，但是這些專用芯片價格昂貴、功能繁雜、不能靈活配置、不利于系統(tǒng)的升級優(yōu)化，難于應(yīng)用。為此，各大FPGA廠商紛紛推出基于各自可編程邏輯器件結(jié)構(gòu)與工藝的PCI IP模塊（軟核、固核或硬核）。 Xilinx，Altera，Actel及QuickLogic等公司的PCI核在國內(nèi)都有廣泛應(yīng)用，它們各有特色，總體而言，Xilinx的PCI Core是含有布局布線信息的HDL門級網(wǎng)表格式，便于VHDL方法設(shè)計及第三方EDA軟件環(huán)境下的仿真驗證；Altera的PCI Core為AHDL格式，通過ACF文件提供布局布線時的約束，其用戶側(cè)的信號數(shù)量較少，功能簡單，便于實現(xiàn)；Actel及QuickLogic公司的反熔絲結(jié)構(gòu)，使其可編程芯片在速度與性能上有一定的優(yōu)勢，但PCI核的功能則相對較弱。

　　根據(jù)VoIP、CDMA等先進的通訊系統(tǒng)對PCI總線接口的實際需求，我們通過評估比較，決定采用Altera公司的64位66MHz PCI Core，在VERIBEST及MAXPLUSII NT設(shè)計平臺上，針對目標(biāo)器件FLEX10K 100E，利用VHDL硬件描述語言，設(shè)計了PCI總線到摩托羅拉CPU的FPGA橋接芯片。該芯片介于PCI總線與摩托羅拉CPU之間，提供兩種總線間的地址轉(zhuǎn)換，命令譯碼，數(shù)據(jù)緩沖與傳輸，即插即用的配置，為系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸提供無縫的接口。

　　1． 設(shè)計輸入

　　設(shè)計輸入包括VHDL代碼設(shè)計及功能仿真。在進行設(shè)計之前，先對系統(tǒng)劃分功能模塊，最頂層例化兩個模塊：Altera的PCI Core和用戶側(cè)邏輯。用戶側(cè)邏輯根據(jù)功能再進一步細(xì)化。VHDL的結(jié)構(gòu)化特點非常便于層次化設(shè)計，每個工程師負(fù)責(zé)完成功能相對獨立的各子模塊設(shè)計仿真，最后進行整體的功能仿真。進行整體功能仿真前，先要提取PCI Core的功能仿真模型，在MAXPLUSⅡ環(huán)境下，按照系統(tǒng)要求配置PCI Core的相關(guān)參數(shù)，然后對其進行編譯及布局布線，此時不必產(chǎn)生ACF文件。為能輸出用于VERIBEST環(huán)境下仿真的VHDL網(wǎng)表，編譯時需要選擇INTERFACE菜單下VHDL NETLIST WRITER。考慮到綜合后可能要作帶門級延時的仿真，編譯時最好產(chǎn)生SDF標(biāo)準(zhǔn)延時文件，在INTERFACE菜單下VHDL OUTPUT FILE［.VHO］（WRITE DELAY CONSTRUCTS TO一欄中）。完成以上關(guān)鍵設(shè)置后，通過編譯即可得到PCI Core帶延時的VHDL網(wǎng)表文件。通過相同的操作可得到用戶側(cè)邏輯模塊中例化的其他Altera的MegaCore子模塊。

　　用戶側(cè)邏輯模塊與PCI Core互連時，需要注意一些關(guān)鍵問題。PCI Core支持PCI主／從工作模式，其用戶側(cè)主／從模式信號是分開的，在PCI Core處于一種工作模式時，另一種模式的信號必需處于確定的無效態(tài)，不能處于懸浮態(tài)或高阻態(tài)。用戶側(cè)邏輯模塊內(nèi)部應(yīng)避免使用三態(tài)信號，為便于控制與調(diào)試，應(yīng)采用狀態(tài)機設(shè)計。對于PCI 時鐘與CPU時鐘間的交互使用，應(yīng)采用握手信號實現(xiàn)。

　　功能仿真在VERIBEST99 FPGA DESIGNVIEW環(huán)境下進行。仿真時首先要對PCI Core進行配置訪問，配置PCI Core內(nèi)部配置寄存器的相應(yīng)位。

　　2． 設(shè)計實現(xiàn)

　　設(shè)計實現(xiàn)包括邏輯綜合及布局布線。功能仿真完成后，下一步為用戶邏輯的綜合。VERIBEST 支持兩種 FPGA 綜合器；FPGA EXPRESS 和 SYNPLIFY。FPGA EXPRESS操作簡單，界面清晰，綜合效率好，但其SCHEMATIC VIEW功能較差，所生成的原理圖晦澀難懂，不利于深入的時序分析。SYNPLIFY提供了RTL VIEW和TECHNOLOGY VIEW兩種原理圖，有利于關(guān)鍵路徑的尋找和分析，它還提供了許多功能強大的屬性參數(shù)，但同時也增加了軟件使用的復(fù)雜性。

　　VHDL語言中例化的FPGA IP模塊（PCI核，雙端口RAM等）應(yīng)該不參與邏輯綜合，可以在VHDL源碼中加入FPGA EXPRESS的綜合開關(guān)－RPAGMA SYNTHESIS＿OFF或SYPLIFY的綜合開關(guān)－SYNTHESIS TRANSLATE＿OFF實現(xiàn)，也可以將FPGA IP模塊的VHDL網(wǎng)表文件從綜合文件列表中刪除。

　　邏輯綜合時應(yīng)該分模塊進行，找出各子模塊內(nèi)部的關(guān)鍵路徑，通過修改設(shè)計，優(yōu)化數(shù)據(jù)通路，最后進行頂層的綜合。頂層綜合時最好保留設(shè)計層次。對于各模塊間的關(guān)聯(lián)信號，由于它們一般經(jīng)過多級查找表，造成延時較大，應(yīng)利用流水線技術(shù)在這些關(guān)鍵路徑上加入適當(dāng)數(shù)量的觸發(fā)器，減小 時延。軟件上的一些設(shè)置也有利于提高綜合后電路的頻率，如狀態(tài)機采用ONE HOT編碼，減小FANOUT數(shù)量，屏蔽操作數(shù)共享功能等。通過上述方法，我們的設(shè)計綜合后電路的頻率從38MHz提升到63MHz。

　　綜合完成后可生成用于MAXPLUSⅡ環(huán)境下布局布線的EDIF文件，如要作門級仿真，也可同時生成帶延時的VHDL網(wǎng)表文件。在MAX-PLUSⅡ中調(diào)入EDIF文件后，設(shè)置ASSIGN菜單下相關(guān)參數(shù)并指明PCI Core的庫路徑。編譯EDIF文件時要設(shè)置EDIF NETLIST READER為SYNOPSYS或SYNPLIFY。第一次布局布線，最好不要加入ACF文件。完成后，按要求生成PCI Core的ACF文件并放在工作目錄下，加入自己的約束條件，然后進行第二次布局布線，此時應(yīng)設(shè)置產(chǎn)生用于VERIBEST進行功能驗證的VHDL網(wǎng)表文件。布局布線后，進行時間參數(shù)分析。我們的設(shè)計結(jié)果PCI時鐘為30MHz，CPU時鐘為57MHz。

　　3． 設(shè)計驗證

　　設(shè)計驗證包括靜態(tài)時序分析，功能驗證及板級驗證。靜態(tài)時序分析用于分析建立／保持時間，時鐘到輸出時間等時間參數(shù)是否滿足PCI規(guī)范。33MHz、32位的PCI規(guī)范要求建立時間小于7ns，保持時間為0ns，時鐘到輸出時間小于11ns，分析時必需考慮觸發(fā)器的影響，對關(guān)鍵路徑加以細(xì)致入微的計算。MAXPLUSⅡ提供了比較好的靜態(tài)時序分析功能，設(shè)計工程師負(fù)責(zé)設(shè)置并分配時間參數(shù)，軟件計算后給出分析結(jié)果，如果不滿足要求，可在重新布局布線時加上相關(guān)約束條件。時序分析結(jié)束后，還需進行功能驗證，在VERIBEST環(huán)境下對布局布線后生成的VHDL網(wǎng)表仿真，此時應(yīng)選擇OPEN POST＿LAYOUT SIMULATOR進入仿真器。VERIBEST會自動生成VHDL格式的端口映射文件，并自動關(guān)聯(lián)SDF文件，用戶無需額外設(shè)置。此時的功能仿真，調(diào)試相對較難，信號間關(guān)聯(lián)關(guān)系可通過VHDL網(wǎng)表文件查詢。

　　基于PCI Core的FPGA設(shè)計的板級驗證可考慮采用Altera公司提供的PCI通用開發(fā)板，該板支持Altera所有的PCI MegaCore模塊，用戶可通過板上的SDRAM，PMC插槽，RS232端口實現(xiàn)用戶邏輯與PCI Core的接口，也可以利用板上PROTOTYPE區(qū)實現(xiàn)用戶邏輯的功能。PCI開發(fā)板演示軟件可以顯示數(shù)據(jù)傳輸速率，也可用于調(diào)試，配置PCI Core。

　　基于IP模塊的PCI設(shè)計為用戶在FPGA目標(biāo)器件上實現(xiàn)PCI接口提供了一種有效的途徑，設(shè)計工程師可以將主要精力集中于非PCI部分，通過將FPGA廠商提供的IP模塊與原理圖、狀態(tài)機及HDL語言等設(shè)計方法有機的結(jié)合，采用層次化結(jié)構(gòu)，在功能強大的EDA軟件環(huán)境下，于較短的時間內(nèi)完成復(fù)雜電子系統(tǒng)的設(shè)計。