基于CPLD的单片机与PCI接口设计方案

一、引言

随着计算机硬件和嵌入式系统的不断发展，许多工业控制系统、通信系统以及数据采集系统中都采用了复杂的接口标准来实现不同硬件之间的互联和数据交换。在这些系统中，PCI（Peripheral Component Interconnect）总线作为一种广泛应用的高速通信总线标准，已被广泛应用于计算机主板和嵌入式设备中。为了将单片机与PCI总线进行有效的连接，我们可以利用CPLD（Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件）来设计一种中间层接口电路。CPLD作为一种可编程逻辑芯片，具有灵活性高、处理速度快、功耗低等优点，非常适合用于单片机与PCI总线的通信桥接。

本文将介绍一种基于CPLD的单片机与PCI接口设计方案，探讨其中所涉及的主控芯片选择、CPLD在设计中的作用、设计流程及实现方式。

二、主控芯片选择与作用

在设计基于CPLD的单片机与PCI接口时，主控芯片是整个系统的核心，其选择至关重要。主控芯片不仅需要具备足够的处理能力，还需支持与CPLD和PCI总线的高效数据交换。以下是几种常见的单片机和主控芯片型号，它们在设计中的作用也不同：

1. ATmega系列单片机

ATmega系列单片机是Atmel公司推出的8位微控制器，具有较强的性能和丰富的外设接口。在单片机与CPLD的接口设计中，ATmega系列常作为系统的主控制单元。ATmega328P是一个广泛应用的型号，具有32KB闪存、2KB SRAM和多个I/O端口，适合用作控制和数据处理的核心。它能够通过SPI或并行接口与CPLD通信，实现与PCI设备的数据交互。

• 型号选择：ATmega328P，ATmega2560

• 作用：控制整个系统的运行，处理数据，生成与CPLD之间的通信信号。

2. STM32系列单片机

STM32系列单片机基于ARM Cortex-M内核，广泛应用于需要高性能和低功耗的嵌入式系统。STM32的优势在于其丰富的外设、较高的运算能力和支持高频率通信接口。对于需要高速数据传输的设计，STM32F103和STM32F407等型号是比较常用的选择。

• 型号选择：STM32F103，STM32F407

• 作用：作为系统的主控单元，管理与CPLD的通信，执行PCI总线协议栈的处理，确保数据的准确传输。

3. NXP LPC系列单片机

NXP的LPC系列单片机基于ARM Cortex-M0/M3/M4架构，具备低功耗、高性能和丰富的外设，特别适用于嵌入式应用。LPC1768是一款较为典型的型号，具有大量的GPIO端口、多个串行接口，适合用来连接CPLD实现与PCI总线的接口。

• 型号选择：LPC1768，LPC1769

• 作用：执行控制逻辑，管理数据交换并通过CPLD与PCI接口通信。

4. Xilinx Zynq-7000系列

如果设计需要更高的集成度和更强的计算能力，可以选择Xilinx的Zynq-7000系列处理器，它结合了ARM Cortex-A9处理器和可编程逻辑（FPGA）。这种设计可以将CPLD的功能与处理器直接集成，在硬件层面实现更高效的PCI总线接口。

• 型号选择：XC7Z020，XC7Z010

• 作用：作为主控处理单元，管理PCI通信的同时，可以实现一些计算密集型任务，并直接通过FPGA部分处理PCI协议。

三、CPLD的作用与设计

CPLD在单片机与PCI接口设计中起着桥接器的作用。单片机通常无法直接支持PCI协议，而CPLD能够充当协议转换器，完成单片机与PCI总线之间的通信。CPLD通过对总线的控制和数据的转换，实现了单片机与PCI设备的有效连接。CPLD的工作主要体现在以下几个方面：

1. 协议转换

PCI总线使用并行总线协议，而单片机通常使用串行通信协议（如UART、SPI、I2C等）。CPLD的任务是实现这些不同协议之间的数据转换，确保数据在单片机与PCI总线之间正确传输。

2. 时序控制

PCI总线具有复杂的时序要求，CPLD能够在硬件层面实现精确的时序控制，确保数据的同步传输。CPLD通过控制信号如CLK、REQ、GNT等来管理数据的传输时序。

3. 数据缓存与暂存

由于单片机的处理能力和内存限制，CPLD还可以充当一个数据缓存区，暂时存储来自PCI设备的数据，并按需将数据传送给单片机。这样可以减少单片机对PCI总线频繁访问的负担，提高系统的整体效率。

4. 信号转换与放大

CPLD还可以用于电平转换、信号放大等功能，确保单片机与PCI总线之间的电信号适配。尤其在使用低电压单片机与高电压的PCI总线连接时，CPLD的电平转换功能尤为重要。

常用的CPLD芯片型号包括：

• Xilinx XC9572XL：这是一款常见的CPLD芯片，具有良好的编程能力和高效的时序控制，适用于低至中等复杂度的接口设计。

• Altera MAX II系列（EPM240）：适用于需要较高I/O端口和快速时序控制的应用，具有较强的可靠性和性能。

• Lattice ispMACH 4000：该系列CPLD广泛应用于需要高速数据转换和接口设计的场合，适合于单片机与PCI总线的桥接。

四、PCI总线协议及接口设计

PCI总线的协议是基于请求和应答的方式进行数据传输的。在设计中，CPLD需要实现对PCI总线的控制，主要包括以下几个关键部分：

1. 请求/应答机制

PCI总线的数据传输是通过请求（REQ）和应答（GNT）信号来控制的。当单片机需要通过PCI与外部设备通信时，CPLD会发出请求信号（REQ），并等待PCI主机返回应答信号（GNT），然后开始数据传输。

2. 数据传输

PCI数据传输有两种方式：单次传输和突发传输。在单片机和PCI总线的接口设计中，CPLD需要实现对数据传输的管理，确保数据在总线上的正确传递。

3. 总线仲裁

PCI总线是一个共享资源，需要通过仲裁机制来确定哪个设备有权访问总线。CPLD在这个过程中需要参与到总线的仲裁中，确保在多个设备请求访问总线时，能够按优先级进行调度。

4. 中断控制

PCI设备通常会发送中断信号来请求CPU处理特定事件。CPLD需要将PCI设备的中断信号传递给主控单片机，并控制中断优先级和响应机制。

五、设计实现步骤

1. 系统需求分析

首先，确定系统的功能需求，例如数据传输速率、单片机处理能力、PCI设备数量等。这些需求将直接影响主控芯片和CPLD的选择。

2. 硬件设计

根据需求，选择合适的主控芯片和CPLD，并设计硬件连接。包括PCI总线与CPLD的接口、CPLD与单片机的通信接口，以及电源和时钟管理部分。

3. 逻辑设计

在CPLD上实现PCI总线协议的处理逻辑，包括请求/应答机制、数据传输控制、仲裁和中断管理等。

4. 软件开发

开发主控单片机的驱动程序，处理与CPLD之间的通信协议，完成数据的读写、中断响应等任务。

5. 测试与调试

进行硬件和软件的调试，确保系统能够正常运行，完成单片机与PCI总线之间的数据交换。