原標題：基于協議轉換芯片PCI9054與FPGA實現PCI通信接口設計方案

基于協議轉換芯片PCI9054與FPGA實現PCI通信接口的設計方案

引言

外設組件互連標準（Peripheral Component Interconnection，簡稱PCI）是由Intel公司于1991年推出的一種高性能局部總線標準，其數據總線寬度為32位，并可擴展至64位，最大數據傳輸速率可達128-256MB/s，遠超過ISA總線5Mbyte/s的速度。PCI總線因其高速度、高可靠性和廣泛的兼容性，在網絡通信、數據采集處理、工業控制等多個領域得到了廣泛應用。隨著技術的發展，PCI總線還衍生出了多個擴展版本，如PCI-E、CPCI、PXI等。本文將詳細介紹基于協議轉換芯片PCI9054與FPGA實現PCI通信接口的設計方案，包括主控芯片型號、設計原理及其在設計中的作用。

主控芯片型號及其特性

PCI9054芯片特性

PCI9054是由美國PLX公司生產的先進的PCI橋接芯片，它支持PCI V2.2協議，是32位、33MHz的PCI總線主I/O加速器。PCI9054采用了先進的PLX數據流水線結構技術，突發傳輸速率可達到132MB/s，具有強大的數據處理能力。其主要特性包括：

1. 兼容PCI協議v2.2：完全符合PCI總線規范，確保與各類PCI設備的兼容性。

2. 電源管理功能：支持PCI電源管理特性，降低系統功耗。

3. 兩個獨立的DMA通道：支持塊傳輸（Block DMA）和Scatter/Gather DMA，提高數據傳輸效率。

4. 可編程FIFO：內置6個可編程FIFO，實現零等待突發傳輸，提高數據傳輸的實時性。

5. 多種工作模式：支持M、C、J三種工作模式，可通過模式選擇引腳（MODE[1:0]）進行控制，滿足不同應用場景的需求。

6. 串行EEPROM接口：可選的串行EEPROM接口，用于存儲配置信息，簡化系統配置過程。

FPGA的作用

FPGA（現場可編程門陣列）作為一種可編程邏輯器件，具有高度的靈活性和可定制性。在PCI通信接口設計中，FPGA主要承擔以下任務：

1. 信號轉換與邏輯控制：FPGA通過編程實現對PCI9054與PCI總線之間信號的轉換與邏輯控制，確保數據的正確傳輸。

2. 數據緩存與處理：利用FPGA內部的RAM或FIFO進行數據的緩存與處理，提高數據傳輸的效率和可靠性。

3. 擴展功能實現：根據實際需求，FPGA可以方便地實現與單片機、DSP等其他處理器的接口，實現復雜的數據處理與控制功能。

設計方案

系統架構

整個系統主要由PCI9054和FPGA兩部分構成。PCI9054作為PCI總線與本地總線之間的橋接芯片，負責實現PCI總線與本地總線之間的信號轉換與數據傳輸。FPGA則通過編程實現對PCI9054的控制與數據處理。

接口設計

1. PCI總線接口

   PCI9054提供了完整的PCI總線接口，包括地址數據復用信號AD[31:0]、總線命令信號C/BE[3:0]和PCI協議控制信號PAR、FRAME#、IRDY#、TRDY#、STOP#、IDSEL、DEVSEL#等。這些信號通過PCI插槽與PCI總線相連，實現與PCI總線的通信。

2. LOCAL總線接口

   LOCAL總線接口是PCI9054與FPGA之間的接口，用于實現本地總線與PCI總線之間的數據傳輸。LOCAL總線接口支持多種工作模式（M、C、J模式），可根據實際需求進行選擇。在本設計中，我們選擇C模式，因為它具有較簡單的時序邏輯和較低的開發難度。

   FPGA通過LOCAL總線接口與PCI9054相連，接收來自PCI總線的數據和控制信號，并產生相應的控制信號對FPGA內部的RAM或FIFO進行讀寫操作。

邏輯設計

1. PCI總線控制

   FPGA內部需要設計PCI總線控制模塊，用于接收PCI總線的控制信號，并根據這些信號產生相應的控制信號，實現對PCI9054的控制。PCI總線控制模塊需要遵循PCI總線協議，確保數據的正確傳輸。

2. LOCAL總線控制

   FPGA內部還需要設計LOCAL總線控制模塊，用于實現LOCAL總線的狀態控制，并產生FPGA片內RAM或FIFO的讀寫時序及地址信號。LOCAL總線控制模塊需要根據PCI9054的工作模式和時序要求，設計合適的控制邏輯。

3. 數據緩存與處理

   FPGA內部可以設計RAM或FIFO作為數據緩存區，用于存儲來自PCI總線的數據或待發送給PCI總線的數據。數據緩存區的大小和類型可以根據實際需求進行定制。同時，FPGA還可以設計數據處理模塊，用于對緩存區中的數據進行必要的處理，如數據格式轉換、數據校驗、數據壓縮或解壓等，以滿足特定應用的需求。

DMA傳輸設計

在PCI通信中，DMA（Direct Memory Access）傳輸是一種高效的數據傳輸方式，它允許數據直接在內存與外設之間傳輸，無需CPU的干預。PCI9054提供了兩個獨立的DMA通道，可以配置為塊傳輸（Block DMA）或Scatter/Gather DMA模式。

• 塊傳輸（Block DMA）：適用于連續內存塊的數據傳輸。FPGA需要配置PCI9054的DMA控制寄存器，設置源地址、目標地址、傳輸長度等參數，并啟動DMA傳輸。在傳輸過程中，FPGA可以監控DMA狀態寄存器，以了解傳輸進度和狀態。

• Scatter/Gather DMA：適用于非連續內存塊的數據傳輸。FPGA需要構建Scatter/Gather列表，該列表包含了多個數據塊的源地址和目標地址信息。FPGA將Scatter/Gather列表的地址寫入PCI9054的相應寄存器，并啟動DMA傳輸。PCI9054會根據列表中的信息，自動完成多個數據塊的傳輸。

電源與復位設計

在設計過程中，還需要考慮電源與復位電路的設計。PCI9054和FPGA需要穩定的電源供應，并且需要設計合理的復位電路，以確保在系統上電或復位時，各芯片能夠正確初始化并處于已知狀態。

設計中的挑戰與解決方案

1. 時序匹配：PCI總線具有嚴格的時序要求，FPGA需要精確控制各個信號的時序，以確保與PCI9054的可靠通信。解決方案是仔細研究PCI總線規范，并在FPGA設計中使用精確的時鐘管理和信號延遲控制。

2. 數據一致性：在DMA傳輸過程中，需要確保數據的完整性和一致性。解決方案是設計數據校驗機制，如CRC校驗，并在數據傳輸前后進行校驗，以確保數據的正確性。

3. 中斷處理：PCI總線支持中斷機制，FPGA需要能夠正確響應和處理來自PCI總線的中斷請求。解決方案是在FPGA中設計中斷控制模塊，用于接收和處理中斷信號，并根據中斷類型執行相應的中斷服務程序。

結論

基于PCI9054與FPGA實現PCI通信接口的設計方案，充分利用了PCI9054的高性能PCI橋接功能和FPGA的靈活性與可定制性。通過合理的系統架構設計和邏輯設計，可以實現高效、可靠的PCI通信接口。該設計方案不僅適用于需要高速數據傳輸的場合，還具有較強的擴展性和可移植性，可以方便地應用于各種基于PCI總線的系統中。在實際應用中，還需要根據具體需求進行進一步的優化和調整，以確保系統的最佳性能和穩定性。