基于CPLD的單片機(jī)與PCI接口設(shè)計(jì)方案

一、引言

隨著計(jì)算機(jī)硬件和嵌入式系統(tǒng)的不斷發(fā)展，許多工業(yè)控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中都采用了復(fù)雜的接口標(biāo)準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)不同硬件之間的互聯(lián)和數(shù)據(jù)交換。在這些系統(tǒng)中，PCI（Peripheral Component Interconnect）總線作為一種廣泛應(yīng)用的高速通信總線標(biāo)準(zhǔn)，已被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)主板和嵌入式設(shè)備中。為了將單片機(jī)與PCI總線進(jìn)行有效的連接，我們可以利用CPLD（Complex Programmable Logic Device，復(fù)雜可編程邏輯器件）來設(shè)計(jì)一種中間層接口電路。CPLD作為一種可編程邏輯芯片，具有靈活性高、處理速度快、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，非常適合用于單片機(jī)與PCI總線的通信橋接。

本文將介紹一種基于CPLD的單片機(jī)與PCI接口設(shè)計(jì)方案，探討其中所涉及的主控芯片選擇、CPLD在設(shè)計(jì)中的作用、設(shè)計(jì)流程及實(shí)現(xiàn)方式。

二、主控芯片選擇與作用

在設(shè)計(jì)基于CPLD的單片機(jī)與PCI接口時(shí)，主控芯片是整個(gè)系統(tǒng)的核心，其選擇至關(guān)重要。主控芯片不僅需要具備足夠的處理能力，還需支持與CPLD和PCI總線的高效數(shù)據(jù)交換。以下是幾種常見的單片機(jī)和主控芯片型號(hào)，它們?cè)谠O(shè)計(jì)中的作用也不同：

1. ATmega系列單片機(jī)

ATmega系列單片機(jī)是Atmel公司推出的8位微控制器，具有較強(qiáng)的性能和豐富的外設(shè)接口。在單片機(jī)與CPLD的接口設(shè)計(jì)中，ATmega系列常作為系統(tǒng)的主控制單元。ATmega328P是一個(gè)廣泛應(yīng)用的型號(hào)，具有32KB閃存、2KB SRAM和多個(gè)I/O端口，適合用作控制和數(shù)據(jù)處理的核心。它能夠通過SPI或并行接口與CPLD通信，實(shí)現(xiàn)與PCI設(shè)備的數(shù)據(jù)交互。

• 型號(hào)選擇：ATmega328P，ATmega2560

• 作用：控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，處理數(shù)據(jù)，生成與CPLD之間的通信信號(hào)。

2. STM32系列單片機(jī)

STM32系列單片機(jī)基于ARM Cortex-M內(nèi)核，廣泛應(yīng)用于需要高性能和低功耗的嵌入式系統(tǒng)。STM32的優(yōu)勢(shì)在于其豐富的外設(shè)、較高的運(yùn)算能力和支持高頻率通信接口。對(duì)于需要高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)，STM32F103和STM32F407等型號(hào)是比較常用的選擇。

• 型號(hào)選擇：STM32F103，STM32F407

• 作用：作為系統(tǒng)的主控單元，管理與CPLD的通信，執(zhí)行PCI總線協(xié)議棧的處理，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸。

3. NXP LPC系列單片機(jī)

NXP的LPC系列單片機(jī)基于ARM Cortex-M0/M3/M4架構(gòu)，具備低功耗、高性能和豐富的外設(shè)，特別適用于嵌入式應(yīng)用。LPC1768是一款較為典型的型號(hào)，具有大量的GPIO端口、多個(gè)串行接口，適合用來連接CPLD實(shí)現(xiàn)與PCI總線的接口。

• 型號(hào)選擇：LPC1768，LPC1769

• 作用：執(zhí)行控制邏輯，管理數(shù)據(jù)交換并通過CPLD與PCI接口通信。

4. Xilinx Zynq-7000系列

如果設(shè)計(jì)需要更高的集成度和更強(qiáng)的計(jì)算能力，可以選擇Xilinx的Zynq-7000系列處理器，它結(jié)合了ARM Cortex-A9處理器和可編程邏輯（FPGA）。這種設(shè)計(jì)可以將CPLD的功能與處理器直接集成，在硬件層面實(shí)現(xiàn)更高效的PCI總線接口。

• 型號(hào)選擇：XC7Z020，XC7Z010

• 作用：作為主控處理單元，管理PCI通信的同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)一些計(jì)算密集型任務(wù)，并直接通過FPGA部分處理PCI協(xié)議。

三、CPLD的作用與設(shè)計(jì)

CPLD在單片機(jī)與PCI接口設(shè)計(jì)中起著橋接器的作用。單片機(jī)通常無法直接支持PCI協(xié)議，而CPLD能夠充當(dāng)協(xié)議轉(zhuǎn)換器，完成單片機(jī)與PCI總線之間的通信。CPLD通過對(duì)總線的控制和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)與PCI設(shè)備的有效連接。CPLD的工作主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1. 協(xié)議轉(zhuǎn)換

PCI總線使用并行總線協(xié)議，而單片機(jī)通常使用串行通信協(xié)議（如UART、SPI、I2C等）。CPLD的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)這些不同協(xié)議之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，確保數(shù)據(jù)在單片機(jī)與PCI總線之間正確傳輸。

2. 時(shí)序控制

PCI總線具有復(fù)雜的時(shí)序要求，CPLD能夠在硬件層面實(shí)現(xiàn)精確的時(shí)序控制，確保數(shù)據(jù)的同步傳輸。CPLD通過控制信號(hào)如CLK、REQ、GNT等來管理數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)序。

3. 數(shù)據(jù)緩存與暫存

由于單片機(jī)的處理能力和內(nèi)存限制，CPLD還可以充當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)緩存區(qū)，暫時(shí)存儲(chǔ)來自PCI設(shè)備的數(shù)據(jù)，并按需將數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)。這樣可以減少單片機(jī)對(duì)PCI總線頻繁訪問的負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)的整體效率。

4. 信號(hào)轉(zhuǎn)換與放大

CPLD還可以用于電平轉(zhuǎn)換、信號(hào)放大等功能，確保單片機(jī)與PCI總線之間的電信號(hào)適配。尤其在使用低電壓?jiǎn)纹瑱C(jī)與高電壓的PCI總線連接時(shí)，CPLD的電平轉(zhuǎn)換功能尤為重要。

常用的CPLD芯片型號(hào)包括：

• Xilinx XC9572XL：這是一款常見的CPLD芯片，具有良好的編程能力和高效的時(shí)序控制，適用于低至中等復(fù)雜度的接口設(shè)計(jì)。

• Altera MAX II系列（EPM240）：適用于需要較高I/O端口和快速時(shí)序控制的應(yīng)用，具有較強(qiáng)的可靠性和性能。

• Lattice ispMACH 4000：該系列CPLD廣泛應(yīng)用于需要高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和接口設(shè)計(jì)的場(chǎng)合，適合于單片機(jī)與PCI總線的橋接。

四、PCI總線協(xié)議及接口設(shè)計(jì)

PCI總線的協(xié)議是基于請(qǐng)求和應(yīng)答的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。在設(shè)計(jì)中，CPLD需要實(shí)現(xiàn)對(duì)PCI總線的控制，主要包括以下幾個(gè)關(guān)鍵部分：

1. 請(qǐng)求/應(yīng)答機(jī)制

PCI總線的數(shù)據(jù)傳輸是通過請(qǐng)求（REQ）和應(yīng)答（GNT）信號(hào)來控制的。當(dāng)單片機(jī)需要通過PCI與外部設(shè)備通信時(shí)，CPLD會(huì)發(fā)出請(qǐng)求信號(hào)（REQ），并等待PCI主機(jī)返回應(yīng)答信號(hào)（GNT），然后開始數(shù)據(jù)傳輸。

2. 數(shù)據(jù)傳輸

PCI數(shù)據(jù)傳輸有兩種方式：?jiǎn)未蝹鬏敽屯话l(fā)傳輸。在單片機(jī)和PCI總線的接口設(shè)計(jì)中，CPLD需要實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓芾恚_保數(shù)據(jù)在總線上的正確傳遞。

3. 總線仲裁

PCI總線是一個(gè)共享資源，需要通過仲裁機(jī)制來確定哪個(gè)設(shè)備有權(quán)訪問總線。CPLD在這個(gè)過程中需要參與到總線的仲裁中，確保在多個(gè)設(shè)備請(qǐng)求訪問總線時(shí)，能夠按優(yōu)先級(jí)進(jìn)行調(diào)度。

4. 中斷控制

PCI設(shè)備通常會(huì)發(fā)送中斷信號(hào)來請(qǐng)求CPU處理特定事件。CPLD需要將PCI設(shè)備的中斷信號(hào)傳遞給主控單片機(jī)，并控制中斷優(yōu)先級(jí)和響應(yīng)機(jī)制。

五、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)步驟

1. 系統(tǒng)需求分析

首先，確定系統(tǒng)的功能需求，例如數(shù)據(jù)傳輸速率、單片機(jī)處理能力、PCI設(shè)備數(shù)量等。這些需求將直接影響主控芯片和CPLD的選擇。

2. 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)需求，選擇合適的主控芯片和CPLD，并設(shè)計(jì)硬件連接。包括PCI總線與CPLD的接口、CPLD與單片機(jī)的通信接口，以及電源和時(shí)鐘管理部分。

3. 邏輯設(shè)計(jì)

在CPLD上實(shí)現(xiàn)PCI總線協(xié)議的處理邏輯，包括請(qǐng)求/應(yīng)答機(jī)制、數(shù)據(jù)傳輸控制、仲裁和中斷管理等。

4. 軟件開發(fā)

開發(fā)主控單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)程序，處理與CPLD之間的通信協(xié)議，完成數(shù)據(jù)的讀寫、中斷響應(yīng)等任務(wù)。

5. 測(cè)試與調(diào)試

進(jìn)行硬件和軟件的調(diào)試，確保系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，完成單片機(jī)與PCI總線之間的數(shù)據(jù)交換。