摘 要： 結(jié)合PCI-Express的傳輸特性，分析了PEX8311的DMA傳輸模式與時(shí)序邏輯，通過有限狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)PEX8311的DMA傳輸。與其他設(shè)計(jì)相比，利用有限狀態(tài)機(jī)理論設(shè)計(jì)控制邏輯具有直觀、簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)流程短等優(yōu)點(diǎn)，并對(duì)狀態(tài)機(jī)進(jìn)行了Verilog優(yōu)化設(shè)計(jì)，使?fàn)顟B(tài)機(jī)更加穩(wěn)定。
關(guān)鍵詞： 橋接芯片PEX8311；PCI-Express接口；DMA傳輸；有限狀態(tài)機(jī)
0 引言
PCI-Express是最新的總線和接口標(biāo)準(zhǔn)，它代表著下一代I/O接口標(biāo)準(zhǔn)。它原名為3GIO，是由英特爾在2001年提出的，交由PCI-SIG（PCI特殊興趣組織）認(rèn)證發(fā)布后才改名為PCI-Express，簡(jiǎn)稱PCI-E。PCI-E屬于高速串行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)雙通道高帶寬傳輸，所連接的設(shè)備分配獨(dú)享通道帶寬，不共享總線帶寬，主要支持主動(dòng)電源管理、錯(cuò)誤報(bào)告、端對(duì)端的可靠性傳輸、熱插拔以及服務(wù)質(zhì)量（QoS）等功能。這個(gè)新標(biāo)準(zhǔn)將全面取代現(xiàn)行的PCI和AGP，最終實(shí)現(xiàn)總線標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一。
PCI-Express的主要優(yōu)勢(shì)就是數(shù)據(jù)傳輸速率高，目前最高的16X2.0版本可達(dá)到10 Gb/s，而且還有相當(dāng)大的發(fā)展?jié)摿ΑCI-Express也有多種規(guī)格，從PCI-Express 1X到PCI-Express 16X，能滿足將來一定時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的低速設(shè)備和高速設(shè)備的需求。PCI-Express最新的接口是PCIE 3.0接口，其比特率為8 Gb/s，約為上一代產(chǎn)品帶寬的兩倍，并且包含發(fā)射器和接收器均衡、PLL改善以及時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)等一系列重要的新功能，用以改善數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)保護(hù)的性能[1]。
1 PEX8311的介紹
PEX8311是PLX Technology公司推出的一款專用于將DSP、FPGA等處理器總線接口升級(jí)為PCI-E的橋接器件。利用PEX8311靈活的局部總線可以方便地連接多種存儲(chǔ)器、緩存器及FPGA、DSP等邏輯芯片，使復(fù)雜的PCIE接口設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單化。PEX8311兼容PCI-Express 1.0標(biāo)準(zhǔn)，其本地總線和寄存器與PCI9056兼容，能夠提供完整的本地總線到PCI-E的接口，包括地址轉(zhuǎn)換、包生成與解碼、信號(hào)中斷支持及并/串轉(zhuǎn)換等[2]。圖1為PEX8311結(jié)構(gòu)圖。
PEX8311由兩組橋接模塊組成：PCIE-PCI和PCI-Local Bus，相應(yīng)地配有兩組寄存器PECS和LCS。PEX8311支持外部EEPROM對(duì)寄存器分別進(jìn)行配置，也可以通過PC或本地處理器進(jìn)行配置。
PEX8311芯片特點(diǎn)：
（1）集成了單通道、全雙工2.5 Gb/s傳輸?shù)腜CI Express端口；
（2）本地總線配置支持8位、16位和32位的總線結(jié)構(gòu)；
（3）支持三種操作模式，使用靈活；
（4）高性能DMA數(shù)據(jù)傳輸支持塊模式、集散模式、循環(huán)隊(duì)列管理和命令模式；
（5）支持端點(diǎn)（EP）和根組件（RC）模式；
（6）芯片低功耗設(shè)計(jì)；
（7）芯片小型封裝，適合緊湊的電路板設(shè)計(jì)；
（8）3.3 V的I/O并且兼容5 V系統(tǒng)；
（9）串行EEPROM用來可選擇的導(dǎo)入配置，支持SPI接口和Microwire接口；
（10）有8 KB的統(tǒng)配共享RAM。
PEX8311可配置為端點(diǎn)模式（Endpoint mode）和根組件模式（Root complex mode）。端點(diǎn)模式多用于設(shè)備端的橋接模式，而根組件端則用于PC端的橋接模式。最常用的模式為端點(diǎn)模式[3]。
在端點(diǎn)模式下有三種操作類型：C模式、J模式和M模式。C模式為非復(fù)用地址/數(shù)據(jù)總線模式，是最為常用的模式，支持多數(shù)的MCU、ASIC和FPGA。J模式為復(fù)用地址/數(shù)據(jù)總線模式，即部分地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用，支持部分MCU和FPGA。M模式為專用模式。
在C模式下又有三種數(shù)據(jù)傳輸模式：直主模式（Direct Master mode）、直從模式（Direct Slave mode）和DMA模式。三種數(shù)據(jù)傳輸模式中，直從模式的優(yōu)先級(jí)最高，直主模式次之，DMA模式最低。
（1）直主模式：本地處理器掌握本地總線控制權(quán)。寄存器配置和PEX8311芯片控制都由本地處理器完成。
（2）直從模式：PEX8311掌握本地總線控制權(quán)，寄存器配置和PEX8311芯片控制由PC端完成。
（3）DMA模式：PEX8311掌握本地總線和PCI-E端總線的控制權(quán)，此模式下的數(shù)據(jù)傳輸無需本地處理器或PC處理器干預(yù)。
2 DMA傳輸模式
DMA模式中，PEX8311提供兩個(gè)完全獨(dú)立的雙向通道DMA Channel 0和DMA Channel 1，每個(gè)通道都配有256 B深度的獨(dú)立異步FIFO；支持塊模式、集散模式、循環(huán)隊(duì)列管理和命令模式[2]。DMA塊模式無需PC或本地控制器干預(yù)，傳輸效率高，所以可以大大降低控制器的工作量并且提高數(shù)據(jù)傳輸效率，為了達(dá)到最大的數(shù)據(jù)傳輸效率，選擇DMA塊模式持續(xù)傳輸方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
PCI-E設(shè)備或本地處理器設(shè)置DMA的PCI以及本地的開始地址、傳輸字節(jié)數(shù)和傳輸方向后，PCI-E設(shè)備或本地處理器設(shè)置DMA通道開始和使能位（LCS_DMACSR0/1[1：0]=11b）來初始化一個(gè)傳輸。PEX8311訪問內(nèi)部PCI-E地址空間在PCI-E接口和本地總線上產(chǎn)生一個(gè)TLP，然后開始傳輸數(shù)據(jù)。傳輸完成后，PEX8311設(shè)置相應(yīng)的DMA通道的通道完成位（LCS_DMACSR0/1[4]=1），聲明一個(gè)終中斷（LCS_INTCSR[16 and/or 8]和/或LCS_DMAMODE0/1[17 and/or 10]到本地處理器或PCI-E接口（可編程）。相應(yīng)DMA通道的通道完成位可以采用輪詢的方式取代中斷方式來指示DMA傳輸狀態(tài)[4]。圖2為DMA塊傳輸?shù)某跏蓟^程。
在DMA傳輸中，PEX8311是PCI-E接口的傳輸發(fā)起者（產(chǎn)生TLP）和本地總線的主機(jī)，對(duì)于同一時(shí)間的訪問，直從模式或直主模式比DMA模式優(yōu)先級(jí)更高，如圖3所示。
3 狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)
狀態(tài)機(jī)的基本要素有三個(gè)：輸入、輸出和狀態(tài)。根據(jù)狀態(tài)機(jī)的輸出是否與輸入條件有關(guān)，可將狀態(tài)機(jī)分為兩大類：摩爾型（Moor）狀態(tài)機(jī)和米勒型（Mealy）狀態(tài)機(jī)[5]。
根據(jù)狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)步驟，首先確定狀態(tài)機(jī)的輸入輸出信號(hào)，即DMA傳輸?shù)目刂菩盘?hào)。
3.1 狀態(tài)機(jī)輸入輸出信號(hào)
LCLK：輸入，PEX8311本地總線系統(tǒng)時(shí)間。
LHOLD：輸出，PEX8311本地總線請(qǐng)求信號(hào)，上電為低電平，當(dāng)PEX8311需要控制本地總線時(shí)拉高，等到LHOLDA信號(hào)響應(yīng)后，PEX8311獲得本地總線控制權(quán)。
LHOLDA：輸入，PEX8311本地總線請(qǐng)求應(yīng)答信號(hào)，上電為低電平，在當(dāng)前總線擁有者響應(yīng)LHOLD信號(hào)后，將LHOLDA拉高。PEX8311未發(fā)出LHOLD信號(hào)時(shí)，不能把本地總線的使用權(quán)交給PEX8311。
LA[31：0]：雙向，本地地址總線。提供總線物理地址的高30位。
LD[31：0]：雙向，本地?cái)?shù)據(jù)總線，當(dāng)PEX8311配置為L(zhǎng)ocal總線主控時(shí)，可以傳輸8 bit、16 bit或32 bit數(shù)據(jù)。
LBE[3：0]#：雙向，本地字節(jié)使能信號(hào)，利用此信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)8 bit、16 bit、32 bit數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)由該管腳提供輔助增加的地址信號(hào)。如果是32 bit數(shù)據(jù)線，則LBE[3：0]#=0000。
ADS#：三態(tài)雙向，內(nèi)有上拉電阻，地址選通信號(hào)，表明地址有效，開始新的總線訪問，ADS#在每次傳輸?shù)牡谝粋€(gè)時(shí)鐘周期插入。
BLAST#：雙向，作為輸入時(shí)，本地總線主機(jī)有效該信號(hào)來指示總線的最后一次數(shù)據(jù)傳輸；作為輸出時(shí)，PEX8311有效該信號(hào)來指示總線上的最后一次數(shù)據(jù)傳輸。
READY#：雙向，I/O口就緒信號(hào)。在直從或DMA傳輸下為輸入信號(hào)，表明可讀的數(shù)據(jù)已經(jīng)在總線上有效或待寫數(shù)據(jù)已經(jīng)在下個(gè)時(shí)鐘上升沿到達(dá)前準(zhǔn)備好；直主模式下為輸出信號(hào)。
LW/R#：雙向，讀寫控制位，對(duì)于DMA塊傳輸，LW/R#=0為讀信號(hào)，本地總線到PCI-E方向；LW/R#=1為寫信號(hào)，PCI-E到本地總線方向。
3.2 狀態(tài)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換
DMA傳輸模式分為單周期模式和突發(fā)模式。本設(shè)計(jì)中采用單周期模式。單周期模式是默認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式。在該模式下，PEX8311每個(gè)數(shù)據(jù)周期都聲明一個(gè)ADS#。單周期模式的起始地址可以是任意的。
Local Bus FSM設(shè)計(jì)分為三個(gè)狀態(tài)：IDLE、WAIT和TRANS。其狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖4所示。
IDLE：為空閑狀態(tài)，當(dāng)FPGA收到lreset復(fù)位信號(hào)后，進(jìn)入IDLE狀態(tài)。
WAIT：為等待狀態(tài)，當(dāng)握手信號(hào)LHOLD和LHOLDA完成后進(jìn)入WAIT狀態(tài)，進(jìn)行地址空間判斷，等待地址選通信號(hào)有效。
TRANS：為傳輸狀態(tài)，當(dāng)?shù)刂愤x通信號(hào)有效后進(jìn)入傳輸狀態(tài)，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，直到BLAST#信號(hào)有效后，進(jìn)入IDLE狀態(tài)。
FPGA作為L(zhǎng)ocal Bus的控制器，主要負(fù)責(zé)控制Local Processor與PC端的數(shù)據(jù)傳輸。上電初始化完成后，PEX8311向FPGA以及其他后端邏輯電路發(fā)送復(fù)位信號(hào)。當(dāng)PC端做好接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備后，PEX8311向FPGA發(fā)送Local Bus的總線請(qǐng)求信號(hào)LHOLD，F(xiàn)PGA向PEX8311發(fā)送請(qǐng)求應(yīng)答信號(hào)LHOLDA，PEX8311獲得總線控制權(quán)，并進(jìn)行地址空間判斷，向FPGA發(fā)送地址選通信號(hào)，表明地址有效，進(jìn)行新的總線訪問。在FPGA端，將經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)存入RAM中，當(dāng)?shù)刂愤x通信號(hào)有效后，置位ram_rd信號(hào)，從RAM中將數(shù)據(jù)讀出，并且使READY#信號(hào)有效，開始進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)FPGA收到有效的BLAST#信號(hào)后，在下一周期使READY#信號(hào)無效，進(jìn)入IDLE狀態(tài)，完成一次DMA傳輸。
3.3 Local Bus狀態(tài)機(jī)Verilog設(shè)計(jì)
always@（state or ads_n or lhold or blast_n）
begin
case（state）
IDLE：
begin
if（lhold）
next_state<=WAIT；
else
next_state<=IDLE；
end
WAIT：
begin
if（~lhold）
next_state<=IDLE；
else if（!ads_n）
next_state<=TRANS；
else
next_state<=WAIT；
end
TRANS：
begin
if（~lhold|（~ram_rd_delay[2]&ram_rd_delay[1]））
next_state<=IDLE；
else
next_state<=TRANS；
end
default：
begin
next_state<=IDLE；
end
endcase
end
3.4 仿真
圖5為DMA傳輸讀操作仿真圖。
4 結(jié)論
本文設(shè)計(jì)的Local Bus控制器應(yīng)用在PEX8311與FPGA的接口中以實(shí)現(xiàn)DMA傳輸，穩(wěn)定性強(qiáng)，使用靈活，可隨時(shí)改變?yōu)槠渌ぷ髂Ｊ健？蓱?yīng)用于視頻采集卡、數(shù)據(jù)采集卡。經(jīng)過實(shí)踐證明，基于FPGA設(shè)計(jì)的控制器靈活性強(qiáng)、可編程能力強(qiáng)，能迅速縮短產(chǎn)品研發(fā)上市周期，滿足客戶需求。
在Verilog的設(shè)計(jì)中對(duì)代碼的優(yōu)化使用了三段式描述方法[6]。與一段式描述方法相比較，三段式FSM描述方法對(duì)FSM寄存器輸出的描述只需判斷下一狀態(tài)，然后直接將下一狀態(tài)的輸出用寄存器輸出即可，根本不用考慮狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件（米勒狀態(tài)機(jī)）。與兩段式描述相比，三段式雖然代碼結(jié)構(gòu)復(fù)雜了一些，但是換來的優(yōu)勢(shì)是使FSM做到了同步寄存器輸出，消除了組合邏輯輸出的不穩(wěn)定與毛刺的隱患，而且更利于時(shí)序路徑分組，一般來說在FPGA/CPLD等可編程邏輯器件上的綜合與布局布線效果更佳。
參考文獻(xiàn)
[1] 王齊.PCI Express體系結(jié)構(gòu)導(dǎo)讀[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.
[2] PLX.PEX8311AA Data Book[OL].[2014-04-20].http：//www.plxtech.com， 2009.
[3] PLX. Local Bus Primer： introduction to Local Bus signals and protocols[OL]. [2014-04-20].http：//www.plxtech.com， 2001.
[4] 王誠(chéng)，蔡海寧，吳繼華.Altera FPGA/CPLD設(shè)計(jì)[M].北京：人民郵電出版社，2011.
[5] 夏宇聞.Verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.
[6] 黃小紅，李峰，倪衛(wèi)芳.PEX8311芯片數(shù)據(jù)傳輸研究[J].電子工程師，2007，33（10）：65.