低成本ＰＣＩ仲裁器邏輯擴展設計

摘要：本文論述了飛思卡爾公司32位處理器MPC5200B的PCI接口設計要點，闡述了PCI仲裁器邏輯擴展設計及方法。經過CPLD仿真及實際應用證明，該電路設計正確，針對MPC5200B有效地擴展了PCI仲裁器邏輯，增加了PCI總線上主設備個數。

關鍵詞：PCI仲裁器；邏輯擴展；MPC5200B

PCI總線是現今最為流行的控制總線之一，它廣泛地應用在計算機中，目前嵌入式設備中的很多解決方案都包含了PCI總線。在多主設備的PCI系統應用中，必須為各個主設備提供仲裁授權信號。為了使PCI設備能夠更方便地應用在嵌入式系統中，本文介紹一種基于飛思卡爾MPC5200B的低成本PCI總線仲裁器邏輯擴展的設計方法，此方法可以在已有的PCI仲裁器的基礎上，實現擴展PCI總線上主設備的個數，從而滿足多PCI設備的設計要求，提高系統的擴展性要求，在體積、功能、成本等諸多方面都有很好的應用前景。

MPC5200B

飛思卡爾公司的MPC5200B是基于PowerPC架構下的一款性能卓越的微處理器。它具有760MIPS、帶浮點運算單元(FPU)、低功耗等特點。該處理器采用高性能的e300內核，集成了高性能存儲控制器、中斷控制器、DMA控制器、PCI控制器、以太網控制器以及USB、CAN 2.0A／B、I²C等豐富的接口。

MPC5200B能夠快速提供數據吞吐和處理。集成的BestComm DMA控制器可降低主e300核心傳送I／O密集數據的負荷。集成的雙倍數據速率(DDR)內存控制器的有效內存總線速度達到266MHz，能夠實現高速數據訪問。BestComm DMA控制器和DDR內存支持的高速PCI接口能夠實現高速數據輸入和輸出。

MPC5200B內部集成了一個PCI總線仲裁器，但其仲裁只支持兩個外部PCI主設備(包含MPC5200B的PCI模塊)。為了增加PCI主設備，我們必須對PCI仲裁器進行擴展。

PCI總線仲裁

PCI總線是一種共享式的總線，可以連接多個主設備，但由于數據傳輸的獨享性，每一時刻只能由一個主設備占用總線。因此，為了有效地利用PCI總線帶寬，總線上必須設置一個仲裁器。

每個具有主設備功能的PCI設備必須提供兩個與仲裁有關的信號：REQ#(請求總線信號)和GNT#(總線授權信號)。由需要發起PCI傳輸事務的設備發出REQ#信號，由PCI總線仲裁器裁決后給出GNT#信號。接到GNT#信號的PCI設備將在下一次總線空閑后開始操作。

PCI總線仲裁的裁決過程可以在PCI傳輸期間完成，并不占用PCI總線的帶寬，這被稱為隱式仲裁：即需要發起PCI操作的設備可以隨時發出請求REO#，PCI仲裁器立即批準該請求并給出GNT#。但實際的傳輸過程一定要等到當前傳輸完畢、線空閑后才可以開始。

具體設計及仿真

以MPC5200B外擴兩個主PCI設備為例，依據PCI仲裁原理及MPC5200B PCI控制器接口，邏輯擴展方式所示。其中邏輯單元(Logic Unit)就是本文詳細闡述的部分。

MPC5200B含有一個片上PCI總線仲裁器，現在需要對外擴展其仲裁功能，以滿足多主PCI設備的需求。

對于外擴PCI主設備而言，有兩對REQ#和GNT#信號需要和MPC5200B片上PCI仲裁器進行通訊；對于MPC5200B而言，邏輯單元就是它一對一的主PCI設備，通訊信號為相關的PCI總線控制信號。邏輯單元電路如圖3所示。

PCI總線復位信號對邏輯電路復位后，如果僅有一個總線請求，則相對應的總線授權信號MASTER_GNT通過由此總線請求控制的MUX進行輸出，實現總線“請求－授權”過程。

如果兩PCI外設同時產生總線請求信號REQO#和REQ1＃，則DR(Dual Require)信號配合PCI_PRAME和PCI_CLK，鎖住NG(NextGrant)信號的更新，直到當前幀傳輸完畢。

仿真環境模擬了一個設備申請和兩個設備同時申請的情況，并分別給出了總線授權信號(GNT)，驗證了仲裁器擴展邏輯的正確性。

結語

PCI總線協議抽象性很強，且時序邏輯復雜。本文采用簡單的邏輯設計實現了對于PCI仲裁器擴展，已經在CPLD中實現，成功應用于MPC5200B的PCI仲裁器邏輯擴展。