摘  要： 結合PCI-Express的傳輸特性，分析了PEX8311的DMA傳輸模式與時序邏輯，通過有限狀態機的設計，實現PEX8311的DMA傳輸。與其他設計相比，利用有限狀態機理論設計控制邏輯具有直觀、簡單、設計流程短等優點，并對狀態機進行了Verilog優化設計，使狀態機更加穩定。

　　關鍵詞： 橋接芯片PEX8311；PCI-Express接口；DMA傳輸；有限狀態機

0 引言

　　PCI-Express是最新的總線和接口標準，它代表著下一代I/O接口標準。它原名為3GIO，是由英特爾在2001年提出的，交由PCI-SIG（PCI特殊興趣組織）認證發布后才改名為PCI-Express，簡稱PCI-E。PCI-E屬于高速串行點對點雙通道高帶寬傳輸，所連接的設備分配獨享通道帶寬，不共享總線帶寬，主要支持主動電源管理、錯誤報告、端對端的可靠性傳輸、熱插拔以及服務質量（QoS）等功能。這個新標準將全面取代現行的PCI和AGP，最終實現總線標準的統一。

　　PCI-Express的主要優勢就是數據傳輸速率高，目前最高的16X2.0版本可達到10 Gb/s，而且還有相當大的發展潛力。PCI-Express也有多種規格，從PCI-Express 1X到PCI-Express 16X，能滿足將來一定時間內出現的低速設備和高速設備的需求。PCI-Express最新的接口是PCIE 3.0接口，其比特率為8 Gb/s，約為上一代產品帶寬的兩倍，并且包含發射器和接收器均衡、PLL改善以及時鐘數據恢復等一系列重要的新功能，用以改善數據傳輸和數據保護的性能[1]。

1 PEX8311的介紹

　　PEX8311是PLX Technology公司推出的一款專用于將DSP、FPGA等處理器總線接口升級為PCI-E的橋接器件。利用PEX8311靈活的局部總線可以方便地連接多種存儲器、緩存器及FPGA、DSP等邏輯芯片，使復雜的PCIE接口設計簡單化。PEX8311兼容PCI-Express 1.0標準，其本地總線和寄存器與PCI9056兼容，能夠提供完整的本地總線到PCI-E的接口，包括地址轉換、包生成與解碼、信號中斷支持及并/串轉換等[2]。圖1為PEX8311結構圖。

　　PEX8311由兩組橋接模塊組成：PCIE-PCI和PCI-Local Bus，相應地配有兩組寄存器PECS和LCS。PEX8311支持外部EEPROM對寄存器分別進行配置，也可以通過PC或本地處理器進行配置。

　　PEX8311芯片特點：

　　（1）集成了單通道、全雙工2.5 Gb/s傳輸的PCI Express端口；

　　（2）本地總線配置支持8位、16位和32位的總線結構；

　　（3）支持三種操作模式，使用靈活；

　　（4）高性能DMA數據傳輸支持塊模式、集散模式、循環隊列管理和命令模式；

　　（5）支持端點（EP）和根組件（RC）模式；

　　（6）芯片低功耗設計；

　　（7）芯片小型封裝，適合緊湊的電路板設計；

　　（8）3.3 V的I/O并且兼容5 V系統；

　　（9）串行EEPROM用來可選擇的導入配置，支持SPI接口和Microwire接口；

　　（10）有8 KB的統配共享RAM。

　　PEX8311可配置為端點模式（Endpoint mode）和根組件模式（Root complex mode）。端點模式多用于設備端的橋接模式，而根組件端則用于PC端的橋接模式。最常用的模式為端點模式[3]。

　　在端點模式下有三種操作類型：C模式、J模式和M模式。C模式為非復用地址/數據總線模式，是最為常用的模式，支持多數的MCU、ASIC和FPGA。J模式為復用地址/數據總線模式，即部分地址/數據總線復用，支持部分MCU和FPGA。M模式為專用模式。

　　在C模式下又有三種數據傳輸模式：直主模式（Direct Master mode）、直從模式（Direct Slave mode）和DMA模式。三種數據傳輸模式中，直從模式的優先級最高，直主模式次之，DMA模式最低。

　　（1）直主模式：本地處理器掌握本地總線控制權。寄存器配置和PEX8311芯片控制都由本地處理器完成。

　　（2）直從模式：PEX8311掌握本地總線控制權，寄存器配置和PEX8311芯片控制由PC端完成。

　　（3）DMA模式：PEX8311掌握本地總線和PCI-E端總線的控制權，此模式下的數據傳輸無需本地處理器或PC處理器干預。

2 DMA傳輸模式

　　DMA模式中，PEX8311提供兩個完全獨立的雙向通道DMA Channel 0和DMA Channel 1，每個通道都配有256 B深度的獨立異步FIFO；支持塊模式、集散模式、循環隊列管理和命令模式[2]。DMA塊模式無需PC或本地控制器干預，傳輸效率高，所以可以大大降低控制器的工作量并且提高數據傳輸效率，為了達到最大的數據傳輸效率，選擇DMA塊模式持續傳輸方式進行數據傳輸。

　　PCI-E設備或本地處理器設置DMA的PCI以及本地的開始地址、傳輸字節數和傳輸方向后，PCI-E設備或本地處理器設置DMA通道開始和使能位（LCS_DMACSR0/1[1：0]=11b）來初始化一個傳輸。PEX8311訪問內部PCI-E地址空間在PCI-E接口和本地總線上產生一個TLP，然后開始傳輸數據。傳輸完成后，PEX8311設置相應的DMA通道的通道完成位（LCS_DMACSR0/1[4]=1），聲明一個終中斷（LCS_INTCSR[16 and/or 8]和/或LCS_DMAMODE0/1[17 and/or 10]到本地處理器或PCI-E接口（可編程）。相應DMA通道的通道完成位可以采用輪詢的方式取代中斷方式來指示DMA傳輸狀態[4]。圖2為DMA塊傳輸的初始化過程。

　　在DMA傳輸中，PEX8311是PCI-E接口的傳輸發起者（產生TLP）和本地總線的主機，對于同一時間的訪問，直從模式或直主模式比DMA模式優先級更高，如圖3所示。

3 狀態機設計

　　狀態機的基本要素有三個：輸入、輸出和狀態。根據狀態機的輸出是否與輸入條件有關，可將狀態機分為兩大類：摩爾型（Moor）狀態機和米勒型（Mealy）狀態機[5]。

　　根據狀態機的設計步驟，首先確定狀態機的輸入輸出信號，即DMA傳輸的控制信號。

　　3.1 狀態機輸入輸出信號

　　LCLK：輸入，PEX8311本地總線系統時間。

　　LHOLD：輸出，PEX8311本地總線請求信號，上電為低電平，當PEX8311需要控制本地總線時拉高，等到LHOLDA信號響應后，PEX8311獲得本地總線控制權。

　　LHOLDA：輸入，PEX8311本地總線請求應答信號，上電為低電平，在當前總線擁有者響應LHOLD信號后，將LHOLDA拉高。PEX8311未發出LHOLD信號時，不能把本地總線的使用權交給PEX8311。

　　LA[31：0]：雙向，本地地址總線。提供總線物理地址的高30位。

　　LD[31：0]：雙向，本地數據總線，當PEX8311配置為Local總線主控時，可以傳輸8 bit、16 bit或32 bit數據。

　　LBE[3：0]#：雙向，本地字節使能信號，利用此信號可以實現8 bit、16 bit、32 bit數據傳輸，同時由該管腳提供輔助增加的地址信號。如果是32 bit數據線，則LBE[3：0]#=0000。

　　ADS#：三態雙向，內有上拉電阻，地址選通信號，表明地址有效，開始新的總線訪問，ADS#在每次傳輸的第一個時鐘周期插入。

　　BLAST#：雙向，作為輸入時，本地總線主機有效該信號來指示總線的最后一次數據傳輸；作為輸出時，PEX8311有效該信號來指示總線上的最后一次數據傳輸。

　　READY#：雙向，I/O口就緒信號。在直從或DMA傳輸下為輸入信號，表明可讀的數據已經在總線上有效或待寫數據已經在下個時鐘上升沿到達前準備好；直主模式下為輸出信號。

　　LW/R#：雙向，讀寫控制位，對于DMA塊傳輸，LW/R#=0為讀信號，本地總線到PCI-E方向；LW/R#=1為寫信號，PCI-E到本地總線方向。

　　3.2 狀態機狀態轉換

　　DMA傳輸模式分為單周期模式和突發模式。本設計中采用單周期模式。單周期模式是默認的數據傳輸模式。在該模式下，PEX8311每個數據周期都聲明一個ADS#。單周期模式的起始地址可以是任意的。

　　Local Bus FSM設計分為三個狀態：IDLE、WAIT和TRANS。其狀態轉換如圖4所示。

　　IDLE：為空閑狀態，當FPGA收到lreset復位信號后，進入IDLE狀態。

　　WAIT：為等待狀態，當握手信號LHOLD和LHOLDA完成后進入WAIT狀態，進行地址空間判斷，等待地址選通信號有效。

　　TRANS：為傳輸狀態，當地址選通信號有效后進入傳輸狀態，進行數據傳輸，直到BLAST#信號有效后，進入IDLE狀態。

　　FPGA作為Local Bus的控制器，主要負責控制Local Processor與PC端的數據傳輸。上電初始化完成后，PEX8311向FPGA以及其他后端邏輯電路發送復位信號。當PC端做好接收數據的準備后，PEX8311向FPGA發送Local Bus的總線請求信號LHOLD，FPGA向PEX8311發送請求應答信號LHOLDA，PEX8311獲得總線控制權，并進行地址空間判斷，向FPGA發送地址選通信號，表明地址有效，進行新的總線訪問。在FPGA端，將經過處理的數據存入RAM中，當地址選通信號有效后，置位ram_rd信號，從RAM中將數據讀出，并且使READY#信號有效，開始進行數據傳輸，當FPGA收到有效的BLAST#信號后，在下一周期使READY#信號無效，進入IDLE狀態，完成一次DMA傳輸。

　　3.3 Local Bus狀態機Verilog設計

　　always@（state or ads_n or lhold or blast_n）

　　begin

　　case（state）

　　IDLE：

　　begin

　　if（lhold）

　　next_state<=WAIT；

　　else

　　next_state<=IDLE；

　　end

　　WAIT：

　　begin

　　if（~lhold）

　　next_state<=IDLE；

　　else if（!ads_n）

　　next_state<=TRANS；

　　else

　　next_state<=WAIT；

　　end

　　TRANS：

　　begin

　　if（~lhold|（~ram_rd_delay[2]&ram_rd_delay[1]））

　　next_state<=IDLE；

　　else

　　next_state<=TRANS；

　　end

　　default：

　　begin

　　next_state<=IDLE；

　　end

　　endcase

　　end

　　3.4 仿真

　　圖5為DMA傳輸讀操作仿真圖。

4 結論

　　本文設計的Local Bus控制器應用在PEX8311與FPGA的接口中以實現DMA傳輸，穩定性強，使用靈活，可隨時改變為其他工作模式。可應用于視頻采集卡、數據采集卡。經過實踐證明，基于FPGA設計的控制器靈活性強、可編程能力強，能迅速縮短產品研發上市周期，滿足客戶需求。

　　在Verilog的設計中對代碼的優化使用了三段式描述方法[6]。與一段式描述方法相比較，三段式FSM描述方法對FSM寄存器輸出的描述只需判斷下一狀態，然后直接將下一狀態的輸出用寄存器輸出即可，根本不用考慮狀態轉移條件（米勒狀態機）。與兩段式描述相比，三段式雖然代碼結構復雜了一些，但是換來的優勢是使FSM做到了同步寄存器輸出，消除了組合邏輯輸出的不穩定與毛刺的隱患，而且更利于時序路徑分組，一般來說在FPGA/CPLD等可編程邏輯器件上的綜合與布局布線效果更佳。

　　參考文獻

　　[1] 王齊.PCI Express體系結構導讀[M].北京：機械工業出版社，2010.

　　[2] PLX.PEX8311AA Data Book[OL].[2014-04-20].http：//www.plxtech.com， 2009.

　　[3] PLX. Local Bus Primer： introduction to Local Bus signals and protocols[OL]. [2014-04-20].http：//www.plxtech.com， 2001.

　　[4] 王誠，蔡海寧，吳繼華.Altera FPGA/CPLD設計[M].北京：人民郵電出版社，2011.

　　[5] 夏宇聞.Verilog數字系統設計教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2003.

　　[6] 黃小紅，李峰，倪衛芳.PEX8311芯片數據傳輸研究[J].電子工程師，2007，33（10）：65.