基于FPGA实现的CPCI数据通信

本文设计的系统采用PLX公司生产的CPCI协议转换芯片PCI9054，通过Verilog HDL语言在FPGA中产生相应的控制信号，完成对数据的快速读写，从而实现了与CPCI总线的高速数据通信。

高速数据传输技术是现代信息技术的前沿科技，同时也是整个数据链技术的瓶颈之一，为此技术人员不断地寻找新的方法。CPCI(Compact PCI)总线就是其中一个解决方案。CPCI总线是当前流行的高速嵌入式计算机总线，目前大多数嵌入式计算机系统的接口最终都要经过CPCI总线与计算机内存进行交互。CPCI的总线规范保证了其具有良好的兼容性和可靠性。


1 系统设计
    系统主要由PCI9054和FPGA构成，系统结构图以及信号连接如图1所示。通过利用FPGA的可编程性，可实现更多的扩展功能，如与DSP，A／D等不同速率间接高速通信等。协议转换芯片PCI9054的作用就是保证本地数据采集板卡和主CPU板卡之间的数据可以高速准确地传输。

2 PCI9054性能分析
    PCI9054是由PLX公司生产的一种基于PCI V2．2总线规范的通用接口芯片。它支持单字节方式和突发方式两种传输方式。其总线端支持32位／33 MHz传输，本地端可以通过突发方式达到最大132 Mbit·s-1的传输速率，并且可以控制改变本地端的总线宽度。
    PCI9054可以看做一座建立在CPCI总线和本地用户局部总线之间的桥梁。因为PCI9054具有6个可编程FIFO存储器进行数据缓存，从而保证两者之间数据传输的正确性和实时性。并且PCI9054允许其中任意一端作为主控设备去控制总线，同时另外一端作为目标设备去响应总线。
    PCI9054内部具有多个寄存器组，用以对其两端的工作状态和工作方式进行控制。PCI9054对其内部的所有寄存器组和FIFO都行了统一的地址映射，用户可以从两端通过编程访问所有FIFO及寄存器组的每个字节，从而查看两端的工作状态和改变两端的工作方式。

3 PCI9054局部总线的接口设计
    整个CPCI接口的设计思路为：FPGA通过桥接芯片PCI9054与CPCI总线连接，其内部使用异步双口RAM来进行高速数据的缓冲，通过使用VerilogHDL语言编程来控制FPGA中的异步双口RAM，以实现系统数据在嵌入式CUP板卡内存与CPCI板卡之间的高速传输。
    PCI9054提供了3种物理总线接口：CPCI总线接口、LOCAL总线接口和串行EPROM接口。其中CPCI总线接口协议在嵌入式操作系统中的驱动包已经带有，而串行EEPROM的初始化是由PLX公司的PLXMON软件在嵌入式操作系统中进行在线烧写的，所以本系统设计的重点就是关于LOCAL总线接口的控制和传输，其接口电路示意图如图2所示。

    PCI9054与本地总线之间的接口称之为LOCAL BUS，是CPCI总线系统设计中十分重要的一环。PCI9054 LOCAL BUS在系统设计中，其总线直接与Alter公司的EP2S90F78014芯片的数据总线相连，同时通过运用Verilog HDL语言编程来实现对双口RAM控制器的功能。
    PCI9054 LOCAL BUS有3种工作模式，分别为M、J和C模式。M模式是专为Motorola公司开发和设计的，而另外两种工作模式就应用的比较广泛。其中J模式因为没有LocaL Master，所以它的地址总线和数据线没有分开，从而增加了开发难度。而在C模式下，PCI9054芯片通过片内的逻辑控制可以将CPCI的局部地址和数据总线分开，从而有效地降低了开发难度，并且能灵活地为本地工作时序提供各种工作方式，所以本系统设计方案选择了LOCAL总线的C工作模式，工作频率为40 MHz。

4 局部总线的实现
    PCI9054支持主模式、从模式和DMA传输方式，根据本系统设计的需求，采用从模式传输方式，即允许CPCI总线上的主设备访问局部总线上的配置寄存器或内存，支持多种模式传输。如图3所示。

FPGA内部逻辑要设计本地端总线控制模块，实现局部总线的状态控制，同时产生片内的读写时序及地址信号以支持突发传输和单周期传输，因此使用Verilog HDL语言中的状态机来完成上述功能。其状态转换，如图4所示。

5 测试结果
    利用SingnalTap采集到的单周期时序传输图，如图5所示。

6 结束语
    以PCI9054为核心介绍了CPCI板卡与嵌入式CPU板卡之间高速数据通信系统接口的软硬件设计。PCI9054因其灵活和方便的接口功能，使操作者只需关心LOCAL BUS接口电路的时序设计，并且利用其传输速率高的特性，可以帮助一些对实时性要求较高的系统解决其传输数据的问题。