原标题：基于协议转换芯片PCI9054与FPGA实现PCI通信接口设计方案

基于协议转换芯片PCI9054与FPGA实现PCI通信接口的设计方案

引言

外设组件互连标准（Peripheral Component Interconnection，简称PCI）是由Intel公司于1991年推出的一种高性能局部总线标准，其数据总线宽度为32位，并可扩展至64位，最大数据传输速率可达128-256MB/s，远超过ISA总线5Mbyte/s的速度。PCI总线因其高速度、高可靠性和广泛的兼容性，在网络通信、数据采集处理、工业控制等多个领域得到了广泛应用。随着技术的发展，PCI总线还衍生出了多个扩展版本，如PCI-E、CPCI、PXI等。本文将详细介绍基于协议转换芯片PCI9054与FPGA实现PCI通信接口的设计方案，包括主控芯片型号、设计原理及其在设计中的作用。

主控芯片型号及其特性

PCI9054芯片特性

PCI9054是由美国PLX公司生产的先进的PCI桥接芯片，它支持PCI V2.2协议，是32位、33MHz的PCI总线主I/O加速器。PCI9054采用了先进的PLX数据流水线结构技术，突发传输速率可达到132MB/s，具有强大的数据处理能力。其主要特性包括：

1. 兼容PCI协议v2.2：完全符合PCI总线规范，确保与各类PCI设备的兼容性。

2. 电源管理功能：支持PCI电源管理特性，降低系统功耗。

3. 两个独立的DMA通道：支持块传输（Block DMA）和Scatter/Gather DMA，提高数据传输效率。

4. 可编程FIFO：内置6个可编程FIFO，实现零等待突发传输，提高数据传输的实时性。

5. 多种工作模式：支持M、C、J三种工作模式，可通过模式选择引脚（MODE[1:0]）进行控制，满足不同应用场景的需求。

6. 串行EEPROM接口：可选的串行EEPROM接口，用于存储配置信息，简化系统配置过程。

FPGA的作用

FPGA（现场可编程门阵列）作为一种可编程逻辑器件，具有高度的灵活性和可定制性。在PCI通信接口设计中，FPGA主要承担以下任务：

1. 信号转换与逻辑控制：FPGA通过编程实现对PCI9054与PCI总线之间信号的转换与逻辑控制，确保数据的正确传输。

2. 数据缓存与处理：利用FPGA内部的RAM或FIFO进行数据的缓存与处理，提高数据传输的效率和可靠性。

3. 扩展功能实现：根据实际需求，FPGA可以方便地实现与单片机、DSP等其他处理器的接口，实现复杂的数据处理与控制功能。

设计方案

系统架构

整个系统主要由PCI9054和FPGA两部分构成。PCI9054作为PCI总线与本地总线之间的桥接芯片，负责实现PCI总线与本地总线之间的信号转换与数据传输。FPGA则通过编程实现对PCI9054的控制与数据处理。

接口设计

1. PCI总线接口

   PCI9054提供了完整的PCI总线接口，包括地址数据复用信号AD[31:0]、总线命令信号C/BE[3:0]和PCI协议控制信号PAR、FRAME#、IRDY#、TRDY#、STOP#、IDSEL、DEVSEL#等。这些信号通过PCI插槽与PCI总线相连，实现与PCI总线的通信。

2. LOCAL总线接口

   LOCAL总线接口是PCI9054与FPGA之间的接口，用于实现本地总线与PCI总线之间的数据传输。LOCAL总线接口支持多种工作模式（M、C、J模式），可根据实际需求进行选择。在本设计中，我们选择C模式，因为它具有较简单的时序逻辑和较低的开发难度。

   FPGA通过LOCAL总线接口与PCI9054相连，接收来自PCI总线的数据和控制信号，并产生相应的控制信号对FPGA内部的RAM或FIFO进行读写操作。

逻辑设计

1. PCI总线控制

   FPGA内部需要设计PCI总线控制模块，用于接收PCI总线的控制信号，并根据这些信号产生相应的控制信号，实现对PCI9054的控制。PCI总线控制模块需要遵循PCI总线协议，确保数据的正确传输。

2. LOCAL总线控制

   FPGA内部还需要设计LOCAL总线控制模块，用于实现LOCAL总线的状态控制，并产生FPGA片内RAM或FIFO的读写时序及地址信号。LOCAL总线控制模块需要根据PCI9054的工作模式和时序要求，设计合适的控制逻辑。

3. 数据缓存与处理

   FPGA内部可以设计RAM或FIFO作为数据缓存区，用于存储来自PCI总线的数据或待发送给PCI总线的数据。数据缓存区的大小和类型可以根据实际需求进行定制。同时，FPGA还可以设计数据处理模块，用于对缓存区中的数据进行必要的处理，如数据格式转换、数据校验、数据压缩或解压等，以满足特定应用的需求。

DMA传输设计

在PCI通信中，DMA（Direct Memory Access）传输是一种高效的数据传输方式，它允许数据直接在内存与外设之间传输，无需CPU的干预。PCI9054提供了两个独立的DMA通道，可以配置为块传输（Block DMA）或Scatter/Gather DMA模式。

• 块传输（Block DMA）：适用于连续内存块的数据传输。FPGA需要配置PCI9054的DMA控制寄存器，设置源地址、目标地址、传输长度等参数，并启动DMA传输。在传输过程中，FPGA可以监控DMA状态寄存器，以了解传输进度和状态。

• Scatter/Gather DMA：适用于非连续内存块的数据传输。FPGA需要构建Scatter/Gather列表，该列表包含了多个数据块的源地址和目标地址信息。FPGA将Scatter/Gather列表的地址写入PCI9054的相应寄存器，并启动DMA传输。PCI9054会根据列表中的信息，自动完成多个数据块的传输。

电源与复位设计

在设计过程中，还需要考虑电源与复位电路的设计。PCI9054和FPGA需要稳定的电源供应，并且需要设计合理的复位电路，以确保在系统上电或复位时，各芯片能够正确初始化并处于已知状态。

设计中的挑战与解决方案

1. 时序匹配：PCI总线具有严格的时序要求，FPGA需要精确控制各个信号的时序，以确保与PCI9054的可靠通信。解决方案是仔细研究PCI总线规范，并在FPGA设计中使用精确的时钟管理和信号延迟控制。

2. 数据一致性：在DMA传输过程中，需要确保数据的完整性和一致性。解决方案是设计数据校验机制，如CRC校验，并在数据传输前后进行校验，以确保数据的正确性。

3. 中断处理：PCI总线支持中断机制，FPGA需要能够正确响应和处理来自PCI总线的中断请求。解决方案是在FPGA中设计中断控制模块，用于接收和处理中断信号，并根据中断类型执行相应的中断服务程序。

结论

基于PCI9054与FPGA实现PCI通信接口的设计方案，充分利用了PCI9054的高性能PCI桥接功能和FPGA的灵活性与可定制性。通过合理的系统架构设计和逻辑设计，可以实现高效、可靠的PCI通信接口。该设计方案不仅适用于需要高速数据传输的场合，还具有较强的扩展性和可移植性，可以方便地应用于各种基于PCI总线的系统中。在实际应用中，还需要根据具体需求进行进一步的优化和调整，以确保系统的最佳性能和稳定性。