摘 要： 以自行研制開發(fā)的PCI高速總線背板為背景，系統(tǒng)地論述了PCI總線的仲裁機(jī)制、總線的缺省占用、仲裁信號協(xié)定及優(yōu)先級仲裁算法，給出了采用EPLD實(shí)現(xiàn)仲裁器功能的編程設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞： PCI總線 仲裁機(jī)制 總線的缺省占用 仲裁信號協(xié)定 仲裁算法
隨著VLSI／ULSI技術(shù)的發(fā)展，可編程邏輯器件EPLD／FPGA越來越受到人們的青睞，由于它具有集成度高、速度快、開發(fā)周期短、費(fèi)用低、用戶可定義功能及可重復(fù)編程和擦寫等許多優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。這些器件的靈活性和通用性使得它們已成為研制和開發(fā)復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)的理想選擇。
在PCI總線技術(shù)規(guī)范的基礎(chǔ)上，采用EPLD實(shí)現(xiàn)了高速PCI總線背板中多主控設(shè)備的總線仲裁。
１ PCI總線的仲裁機(jī)制
PCI總線仲裁是基于訪問而不是基于時間片，也就是說，對于一個PCI總線主設(shè)備，必須為它在總線上進(jìn)行的每次訪問提出仲裁要求。PCI總線上采用的是并行仲裁（也叫獨(dú)立請求仲裁）方案，其仲裁機(jī)制如圖１所示。在這種仲裁中，每個主控器各有自己獨(dú)立的總線請求線＿REQ 和總線允許線＿GNT 與總線仲裁器相連，相互間沒有任何控制關(guān)系。仲裁器直接識別所有設(shè)備的請求，并根據(jù)一定的優(yōu)先級仲裁算法選中一個設(shè)備Ci ，向它直接發(fā)出總線允許信號＿GNTi。PCI總線的仲裁是“隱含的”，就是說一次仲裁可以在前一次總線訪問期間完成，這樣就使得仲裁的具體實(shí)現(xiàn)不必占用 PCI總線周期。當(dāng)然在總線空閑時除外。
在實(shí)際的PCI總線仲裁電路中，與仲裁直接有關(guān)的控制線除＿REQ和＿GNT外，還有＿FRAME、＿IRDY。此外，為了保證總線交換的同步，還應(yīng)有一根總線時鐘信號PCIclk和一根總線復(fù)位信號＿PCIrst，如圖1虛線所示。
２ 總線的缺省占用
所謂總線的缺省占用，就是指在當(dāng)前沒有設(shè)備使用總線或請求總線的情況下，允許仲裁器根據(jù)一定的方式選定一個設(shè)備作為總線缺省的擁有者，并向它發(fā)出＿GNT信號。選擇的方式有多種，如可為某一固定設(shè)備，也可為最后一次使用總線的設(shè)備，當(dāng)然也可以指定自己（仲裁器本身）為總線缺省的擁有者。
當(dāng)仲裁器將某一設(shè)備確定為總線的缺省擁有者時該設(shè)備可以不通過發(fā)＿REQ信號就開始一次總線操作（只要總線空閑且＿GNT信號有效）。但要注意的是：如果該設(shè)備需要做多次的數(shù)據(jù)傳輸，它就應(yīng)當(dāng)發(fā)出＿REQ信號，以便向仲裁器提出多次操作的請求；而如果該設(shè)備只要求做一次總線操作，它就不應(yīng)當(dāng)發(fā)出＿REQ信號，否則仲裁器可能在它不需要使用總線的情況下又給它發(fā)出＿GNT信號。
３ 仲裁信號協(xié)定
綜上所述， PCI總線的仲裁主要是通過＿REQ和＿GNT兩個信號來實(shí)現(xiàn)的。前者用于某一設(shè)備要求占用總線的請求，后者用于允許某一設(shè)備占用總線的應(yīng)答。而對于一個 PCI總線主控器，必須在它真正需要總線時才能發(fā)出＿REQ信號，絕不可以用＿REQ信號把自己“停靠” 在總線上。只有總線仲裁器才可以指定誰是總線缺省的擁有者。
當(dāng)仲裁器允許某一設(shè)備使用總線時，就向該設(shè)備發(fā)出＿GNT信號；相反，當(dāng)仲裁器不再允許某一設(shè)備擁有總線控制權(quán)時，可以在任意時鐘撤消該設(shè)備的＿GNT信號。所以，每個總線主控器在開始一次PCI總線操作時，一定要確知此時它們的＿GNT信號是否有效。如果＿GNT信號無效，這次操作就不可以進(jìn)行。
PCI總線的仲裁信號之間必須遵循一定的協(xié)定，具體描述如下：
· 若＿GNT信號撤消而＿FRAME有信號，當(dāng)前的總線操作是合法的，并將繼續(xù)下去；
· 若總線不是處于空閑狀態(tài)，有可能一個＿GNT的撤消碰巧是另一個＿GNT發(fā)出的同時，但如果是在空閑狀態(tài)，則要求一個＿GNT撤消到下一個＿GNT的發(fā)出之間必須有一個時鐘周期。否則可能會在AD線和PAR線上出現(xiàn)沖突；
· 當(dāng)＿FRAME無信號時，＿GNT可以在任意時間撤消，以便服務(wù)于另一個主設(shè)備，或者作為對相應(yīng)的＿REQ撤消的響應(yīng)；
· ＿GNT信號的每次發(fā)出，只限于相應(yīng)的總線主控器可以使用總線進(jìn)行一次總線操作。若該主控器還想做多次總線訪問時，可以保持它的_REQ信號一直有效。此時，如果沒有其它請求，或者當(dāng)前的主控器具有最高優(yōu)先權(quán)，仲裁器就會繼續(xù)批準(zhǔn)總線給當(dāng)前主控器；
·一個主控器可以在任意時刻撤消其_REQ信號，但要注意，_REQ信號一旦撤消，仲裁器將認(rèn)為該設(shè)備不再請求使用總線，因而撤消其_GNT信號。若一個主控器只希望做一次總線傳輸，它應(yīng)當(dāng)在發(fā)出＿FRAME的同一時鐘周期撤消_REQ；
·如果當(dāng)前的主控器在它的＿GNT信號發(fā)出之后（＿REQ也一直有效），持續(xù)16個空閑周期還沒有開始總線操作，仲裁器就可以認(rèn)為當(dāng)前的主控器“已壞”。因而，仲裁器可以在任意時刻撤消＿GNT信號，以便服務(wù)于一個優(yōu)先級更高的設(shè)備。
４ 優(yōu)先級仲裁算法
為了合理地控制和管理系統(tǒng)中需要占用總線的數(shù)據(jù)源，PCI仲裁器必須實(shí)現(xiàn)一個特別的優(yōu)先級仲裁算法，以便在多個設(shè)備同時提出總線占用請求時，能依據(jù)該仲裁算法判決出哪個設(shè)備應(yīng)獲得對總線的控制權(quán)�？偩�仲裁可以確保任何時刻總線上最多只有一個設(shè)備發(fā)送信息，而決不會出現(xiàn)多個主控器同時占用總線的情況。
由于總線仲裁算法從根本上說與PCI總線技術(shù)規(guī)范無關(guān)，所以設(shè)計(jì)者可以根據(jù)實(shí)際需要自由地進(jìn)行選擇和修改。但要注意，設(shè)計(jì)時必須為所選用的I/O控制器及接插卡提供所要求的訪問延遲保證。
總線優(yōu)先級仲裁算法通常有兩種，一種是固定優(yōu)先級算法，一種是循環(huán)優(yōu)先級算法。但不管是哪一種仲裁算法，都必須滿足以下三個基本要求：
· 每一時刻只能有一個設(shè)備作為總線主控器；
· 先請求者先響應(yīng)，且在一個總線操作周期之內(nèi)不被打斷；
· 同一時刻有幾個設(shè)備發(fā)出請求時，按優(yōu)先級排序響應(yīng)。
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