低成本PCI仲裁器逻辑扩展设计

        本文论述了飞思卡尔公司32位处理器MPC5200B的PCI接口设计要点，阐述了PCI仲裁器逻辑扩展设计及方法。经过CPLD仿真及实际应用证明，该电路设计正确，针对MPC5200B有效地扩展了PCI仲裁器逻辑，增加了PCI总线上主设备个数。

       PCI总线是现今最为流行的控制总线之一，它广泛地应用在计算机中，目前嵌入式设备中的很多解决方案都包含了PCI总线。在多主设备的PCI系统应用中，必须为各个主设备提供仲裁授权信号。为了使PCI设备能够更方便地应用在嵌入式系统中，本文介绍一种基于飞思卡尔MPC5200B的低成本PCI总线仲裁器逻辑扩展的设计方法，此方法可以在已有的PCI仲裁器的基础上，实现扩展PCI总线上主设备的个数，从而满足多PCI设备的设计要求，提高系统的扩展性要求，在体积、功能、成本等诸多方面都有很好的应用前景。 

       MPC5200B 
       
       飞思卡尔公司的MPC5200B是基于PowerPC架构下的一款性能卓越的微处理器。它具有760MIPS、带浮点运算单元(FPU)、低功耗等特点。该处理器采用高性能的e300内核，集成了高性能存储控制器、中断控制器、DMA控制器、PCI控制器、以太网控制器以及USB、CAN 2.0A/B、I2C等丰富的接口。其结构框图如图1所示。

                                                           图1 MPC5200B 框图

        MPC5200B能够快速提供数据吞吐和处理。集成的 BestComm DMA控制器可降低主e300核心传送I/O密集数据的负荷。集成的双倍数据速率(DDR)内存控制器的有效内存总线速度达到266MHz，能够实现高速数据访问。 BestComm DMA 控制器和DDR内存支持的高速PCI 接口能够实现高速数据输入和输出。

       MPC5200B内部集成了一个PCI总线仲裁器，但其仲裁只支持两个外部PCI主设备(包含MPC5200B的PCI模块)。为了增加PCI主设备，我们必须对PCI仲裁器进行扩展。
　　
        PCI总线仲裁

        PCI总线是一种共享式的总线，可以连接多个主设备，但由于数据传输的独享性，每一时刻只能由一个主设备占用总线。因此，为了有效地利用PCI总线带宽，总线上必须设置一个仲裁器。 

        每个具有主设备功能的PCI设备必须提供两个与仲裁有关的信号：REQ#(请求总线信号)和GNT#(总线授权信号)。由需要发起PCI传输事务的设备发出REQ#信号，由PCI总线仲裁器裁决后给出GNT#信号。接到GNT#信号的PCI设备将在下一次总线空闲后开始操作。 

        PCI总线仲裁的裁决过程可以在PCI传输期间完成，并不占用PCI总线的带宽，这被称为隐式仲裁：即需要发起PCI操作的设备可以随时发出请求REO#，PCI仲裁器立即批准该请求并给出GNT#。但实际的传输过程一定要等到当前传输完毕、线空闲后才可以开始。 
    
        具体设计及仿真 

        以MPC5200B外扩两个主PCI设备为例，依据PCI仲裁原理及MPC5200B PCI控制器接口，逻辑扩展方式如图2所示。其中逻辑单元(Logic Unit)就是本文详细阐述的部分。

                                      图2 MPC5200B PCI仲裁逻辑扩展示意图

       MPC5200B含有一个片上PCI总线仲裁器，现在需要对外扩展其仲裁功能，以满足多主PCI设备的需求。

       对于外扩PCI主设备而言，有两对REQ#和GNT#信号需要和MPC5200B片上PCI仲裁器进行通讯；对于MPC5200B而言，逻辑单元就是它一对一的主PCI设备，通讯信号为相关的PCI总线控制信号。逻辑单元电路如图3所示。

                                     图3 MPC5200B PCI仲裁逻辑扩展电路

                               图3b MPC5200B PCI仲裁逻辑扩展电路（续）

       PCI总线复位信号对逻辑电路复位后，如果仅有一个总线请求，则相对应的总线授权信号MASTER_GNT通过由此总线请求控制的MUX进行输出，实现总线“请求-授权”过程。

        如果两PCI外设同时产生总线请求信号REQ0#和REQ1#，则DR(Dual Require)信号配合PCI_PRAME和PCI_CLK，锁住NG(Next Grant)信号的更新，直到当前帧传输完毕。

         由图4可以看出，仿真环境模拟了一个设备申请和两个设备同时申请的情况，并分别给出了总线授权信号(GNT)，验证了仲裁器扩展逻辑的正确性。

                                    图4 MPC5200B PCI仲裁逻辑扩展电路仿真

      结语

       PCI总线协议抽象性很强，且时序逻辑复杂。本文采用简单的逻辑设计实现了对于PCI仲裁器扩展，已经在CPLD中实现，成功应用于MPC5200B的PCI仲裁器逻辑扩展。

       参考文献：
      1.  MPC5200B User’s manual. Rev.1 
      2.  PCI Local Bus Specification. Rev 2.2