PCI(Peripheral Component Interconnect)總線是現今最為流行的工業控制總線之一。它廣泛地應用在計算機中，并且由于眾多廠商對PCI的良好支持，使得目前嵌入式設備中的很多解決方案都包含了PCI總線。在多主設備的PCI系統應用中，必須為各個主設備提供仲裁授權信號。很多廠家有針對性地發布了PCI仲裁邏輯的專用芯片" title="專用芯片">專用芯片或者集成了PCI仲裁邏輯的專用芯片，但使用不夠靈活。為了使PCI設備能夠更方便地應用在嵌入式系統中，本文介紹了一種基于CPLD(復雜可編程邏輯器件)的PCI總線仲裁器的設計方法。此方法可以為系統量身定制適合于系統本身的PCI總線仲裁器，而不必局限于特定芯片的要求，在體積、功能、成本等諸多方面都有很好的應用前景。
1 PCI總線仲裁簡介
1.1 PCI總線的仲裁原理
　　PCI總線是一種共享式的總線，可以連接多個主設備，但由于數據傳輸的獨占性，每一時刻只能由一個主設備占用總線。因此，為了有效地利用PCI總線帶寬，必須設置一個總線仲裁器，按照一定的算法協調系統中各個主設備的操作。
　　每個具備主設備功能的PCI設備必須提供兩個與仲裁有關的信號：REQ#和GNT#。其中REQ#為請求總線信號，由需要發起PCI傳輸事務的設備發出；GNT#為總線授權信號，由PCI總線仲裁器裁決后給出。接到GNT#信號的PCI設備將在下一次總線空閑后開始操作。
　　PCI總線仲裁的裁決過程可以在PCI傳輸期間完成，并不占用PCI總線的帶寬，這稱為隱式仲裁。即需要發起PCI操作的設備可以隨時發出請求REQ#，PCI仲裁器立即批準該請求并給出GNT#。但是真正的傳輸操作一定要等到當前傳輸完成，即總線空閑后才可以開始。圖1描述了PCI總線設備與仲裁器的關系。

1.2 PCI總線仲裁規則約定
　　(1)仲裁器的仲裁算法必須保證所有的設備都能得到授權的機會，否則將會出現某個優先級低的設備永遠不能占有總線進行事務操作的情況。
　　(2)如果FRAME無效，GNT可以在任意時間撤消，以便服務于另一個主設備或者作為對主設備撤銷REQ的響應。
　　(3)如果GNT信號被撤消但FRAME有信號，當前的總線正在傳輸數據，則操作合法。
　　(4)如果總線不處于空閑狀態，則允許一個GNT的撤消和另一個GNT的發生在同一個周期。如果處在空閑狀態，則要求一個GNT撤消到下一個GNT的發出之間必須有一個時鐘周期" title="時鐘周期">時鐘周期間隔，否則可能會在AD線和PAR線上出現沖突。
　　(5)GNT信號的每次發出，只限于相應的總線主控器可以使用總線進行一次總線操作(一個FRAME發出到撤銷)。如果該主控器需要多次總線訪問，它可以保持REQ信號一直有效。仲裁器會按照特定的仲裁算法來決定是否仍判給該主設備。
　　(6)一個主控器可以在任意時刻撤消其REQ信號。REQ信號一旦撤消，仲裁器將認為該設備不再請求使用總線，因而撤消其GNT信號(參考上文(1))。如果一個主控器只希望做一次總線傳輸，則它應當在發出FRAME的同一時鐘周期撤消REQ。
　　(7)如果當前的主控器在它的GNT信號發出后，持續16個空閑周期還沒有開始總線操作，則仲裁器視其為超時，仲裁器可以在任意時刻撤消GNT信號，以便服務于另一個設備。
1.3 PCI總線仲裁的算法
　　目前，應用于PCI總線總裁的算法主要有固定優先級算法和動態優先級算法兩種。在固定優先級算法中，各個設備的優先級是事先確定好的，仲裁器針對事先設定好的優先級為每個設備分配使用權。這種算法的缺點是：一旦PCI總線事務非常繁忙，優先級高的設備會占有總線不放，將導致優先級低的設備無法申請到總線。可見這是一種并不公平的算法，只適用于總線利用率非常低的情況。動態優先級算法是在每次仲裁授權后動態改變各個設備的優先級。在保證每個設備都有機會獲得總線的情況下，優先級改變的算法可以是各種各樣的。最常用的是循環優先級算法，即每次仲裁授權后將排隊中的設備優先級加1。因其算法簡單，且對大部分應用都十分有效，本設計采用循環優先級算法。
1.4 總線停靠
　　當PCI總線空閑時，一個設備從申請總線到被授權使用，最少也需要2個時鐘周期，這對于PCI總線是一種浪費。因此仲裁器通常選中一個最經常占用總線的設備，在PCI總線空閑時將GNT#賦予它，這叫做總線停靠。當總線空閑時，該設備需要占用總線時可馬上得到批準。
2 雙主設備PCI總線仲裁器的實現
　　下面描述了一個具有兩個設備的總線仲裁器的硬件實現，其一為TriMedia嵌入式DSPCPU PNX1300，其二為Intel i82559 網絡控制器" title="網絡控制器">網絡控制器。系統結構如圖2所示。

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　　該仲裁器的接口信號如表1所示。
　　為設計方便起見，在程序中設計三類狀態機：總線狀態狀態機、總線主設備查詢狀態機、仲裁狀態機。
2.1 總線狀態狀態機
　　總線狀態狀態機用于記錄總線事務的狀態，定義如下：
　　type bus_state is(IDLE，BUSY，LAST_DATA，FINISH)
　　四種狀態分別表示總線空閑、忙、最后一個數據傳輸期以及傳輸完成。狀態圖如圖3。

　　下面是以VHDL代碼形式實現的該狀態機的狀態轉換關系。
case bus_cur_state is
　　when IDLE =>
　　　　if Frame_n=′0′ then --frame被拉低，表示一個傳輸事務開始
　　　　　　bus_next_state<=BUSY；
　　　　else
　　　　　　bus_next_state<=IDLE；--總線空閑
　　　　end if；
　　when BUSY=>
　　　　if Frame_n=′1′ then --frame為高，等待傳輸最后一個數據
　　　　　　if Irdy_n=′0′ then --主設備準備好，正在傳輸最后一個數據
　　　　　　　　bus_next_state<=FINISH；
　　　　　　else
　　　　　　　　bus_next_state<=LAST_DATA；--等待最后一個數據完成
　　　　　　end if；
　　　　else
　　　　　　bus_next_state<=BUSY；--等待frame被拉高
　　　　end if；
　　when LAST_DATA=>
　　　　if Irdy_n=′0′ then--主設備準備好
　　　　　　bus_next_state<=FINISH；
　　　　else
　　　　　　bus_next_state<=LAST_DATA；--等待最后一個數據傳輸完成
　　　　end if；
　　when FINISH=>
　　　　if Irdy_n=′1′ then
　　　　　　bus_next_state<=IDLE；
　　　　else
　　　　　　bus_next_state<=FINISH；
　　　　end if；
　　when others=>
　　　　bus_next_state<=IDLE；
end case；
　　根據上述狀態關系輸出總線空閑指示信號busbusy。
case bus_cur_state is
　　when IDLE=>
　　　　busbusy<=′0′；
　　when BUSY=>
　　　　busbusy<=′1′；
　　when LAST_DATA=>
　　　　busbusy<=′1′；
　　when FINISH=>
　　　　busbusy<=′1′；
　　when others=>
　　　　busbusy<=′0′；
end case；
2.2 總線主設備查詢狀態機
　　總線主設備查詢狀態機用來決定當前是否需要重新指定一個主設備。重新指定一個主設備的條件是：(1)當前被授權的設備已開始傳輸；(2)當前被授權的設備沒有開始傳輸并且超時。將主設備查詢狀態分為IDLE、GNT1、GNT2、WAIT_NOBUSY和WAIT_BUSY2五個狀態，并設置計數器count。當總線上某個設備被授權，但16個周期仍然沒有開始操作，count超過16，被視為超時，仲裁器可以撤銷其仲裁授權，并轉授其他設備。程序根據這個狀態機的輸出結果決定仲裁狀態機是否改變。

　　狀態轉換如圖4所示，狀態機描述的VHDL代碼略。
　　主設備查詢狀態機的輸出信號search_master：
case search_cur_state is
　　when NO_GNT =>
　　　　search_master <= ′1′;
　　when GNT1 =>
　　　　search_master <= ′0′;
　　when GNT2 =>
　　　　search_master <= ′1′;
　　when WAIT_NOBUSY =>
　　　　search_master <= ′0′;
　　when WAIT_BUSY2 =>
　　　　search_master <= ′0′;
　　when others =>
　　　　search_master <= ′0′;
end case;
　　該狀態機的驅動條件是由總線狀態狀態機的輸出結果(busbusy)、仲裁狀態機的狀態(idle，park)和計數器產生的超時信號(timeout)組成。設置WAIT_BUSY2的目的是為了避免可能會在AD線和PAR線上出現的沖突。該狀態機的輸出search_master作為仲裁狀態機狀態轉換使能信號，只有該信號有效時，仲裁狀態機才進行當前狀態的改變。
2.3 仲裁狀態機
　　仲裁狀態機表示總線仲裁器的狀態，定義如下：
　　type arbiter_state is(IDLE，DEV1，DEV2，PARK)；
　　當主設備查詢狀態機輸出使能信號(search_master)時，導致仲裁狀態機的狀態改變。
　　if(PCI_reset=′0′) then
　　　　arbiter_cur_state<=park；--總線在復位期間停靠
　　elsif rising_edge(PCI_clock) then
　　　　if(search_master=′1′) then
　　　　arbiter_cur_state<=arbiter_next_state；
　　　　end if；
　　end if；
　　狀態轉變過程如圖5所示，狀態機描述的VHDL代碼略。

　　仲裁器根據仲裁狀態機當前狀態控制仲裁授權信號(GNT)的給出。
　　when idle=>
　　　　gnt_out_n<=(others=>′1′)；
　　when dev1=>
　　　　gnt_out_n<=″10″；
　　when dev2=>
　　　　gnt_out_n<=″01″；
　　when park=>
　　　　gnt_out_n<=(PARKMASTER)；
　　when others=>
　　　　gnt_out_n<=(others =>′1′)；
　　end case；
　　注：PARKMASTER是事先設置的停靠狀態。
2.4 仿真波形圖
　　由圖6可以看出，測試文件模擬了一個設備申請和兩個設備同時申請的情況，并給出了總線授權信號(GNT)，驗證了仲裁器邏輯的正確性。

2.5 資源占用情況分析
　　可編程邏輯器件使用Lattice 公司的ispLSI2064E-135LT100，在ispLever中綜合本例程序，結果如表2。