PCI总线接口芯片S5920及其应用

摘要：S5920是AMCC公司推出的一种PCI总线接口芯片。文章介绍了S5920的结构和特性，详细描述了其信箱和直通通道的工作机制以及外加总线信号的定义，给出了利用S5920直通通道实现并行数据接口扩展卡的设计实例。
    关键词：S5920；PCI总线；信箱；直通通道


1  引言

　　PCI局部总线由于其速度高、可靠性强、成本低及兼容性好等性能，在各种计算机总线标准中占主导地位，采用基于PCI标准的接口设计已成为各种项目开发中的优先选择。但是，由于PCI总线规范和接口定义较为复杂，从而使得传统的、以中小型规模器件开发接口电路的方法难以实现。鉴于此，许多厂家推出了专用的PCI总线接口芯片，其中AMCC公司生产的S59XX系列芯片因其功能强大、开发方便，而应用最为广泛。
    S5920是AMCC公司新近推出的一种PCI总线接口芯片，它可被视作S5933的子集。与之相比，S5920减少了总主控的功能，但其它性能与之相仿或有所增强，但价格降低了很多。因此，在无需进行总线主控的场合，使用S5920具有更高的性价比。
    S5920的主要特点如下：
    ●符合PCI2．2标准的总线目标／受控设备；
    ●具有最高132M字节／秒的传输速率；
    ●具有可编程的预取和等待状态；
    ●带有4个集成32位读写FIFO的直通通道；
    ●外加总线可工作于主动或被动状态；
    ●具有直接操作的信箱数据锁存／中断引脚和直接操作的PCI和外加总线中断引脚；
    ●支持即插即用；
　　●支持串行nvRAM（非易失性RAM）和可选的外部BIOS；
    ●采用160脚PQFP封装。

2  内部结构

　　与S5933一样， S5920为设计者提供了与PCI总线相连的灵活易用的方式。通过S5920，复杂的PCI总线可被转换成易于使用的8／16／32位用户总线即外加总线（ADD＿ON＿BUS）。S5920有信箱（MAIL＿BOX）和直通通道（PASS＿THRU）两种传输方式，并为这两种方式提供了完备的操作寄存器和外加总线信号。设计者可根据需要选择合适的传输方式，并通过S5920内部寄存器完成各种定义和设置。这样的特性使得设计者在进行应用设计时无须深入掌握PCI总线规范，而只需将注意力集中在外加总线逻辑和扩展卡功能的实现上即可，从而大大减少了为严格遵循PCI接口定义和总线时序所带来的工作量。
　　 S 5920的内部结构如图1所示。下面对其主要组 成模块作一介绍。

2．1  S5920的寄存器结构
　　S5920的通信、控制和配置主要通过PCI配置寄存器的内部操作寄存器来实现。该PCI配置寄存器是所有遵循PCI规范的设备都必须提供的一组寄存器，它们之中保存了特殊的设备和产品信息，如厂商ID、设备ID、存储空间需求等，其内容在系统引导时被主BIOS读入内存。这些寄存器在S5920芯片中既可用自定义的缺省值进行初始化，也可由设计者用存储在外部nvRAM中的内容重新定义。
    S5920内部操作寄存器主要包括信箱数据寄存器、信箱状态寄存器、中断控制／状态寄存器、复位控制寄存器、直通通道设置寄存器、直通通道地址和数据寄存器。除直通通道地址和数据寄存器只用于外加总线读写直通通道外，其它寄存器都是双向的，因而能被PCI或外加总线直接访问。
2．2 nvRAM接口  
　　S5920支持的两线串行nvRAM，除了可保存设备的配置信息外，如有必要，在nvRAM中也可包含扩展的BIOS。设备加电后，S5920将自动读取nvRAM中的内容，并将其写入相应的配置寄存器。
2．3  信箱通道  
　　与S5933提供4个双向的信箱通道不同的是，S5920只有一个双向的信箱通道，但在多数设计中，这已经足够。由于S5920为信箱通道提供了非常灵活的操作方式，因而使得信箱的应用更加简便容易。
    S5920内部有两个信箱寄存器，其宽度均为4个字节，可分别用于完成PCI到外加总线和外加总线到PCI的数据传输。S5920同时提供了一个信箱状态寄存器，可用于指示两个信箱寄存器中的任一字节的“空／满”状态，这使得设计者可灵活地实现8／16／32位的设计，比如在外加总线上传输一个8位单字节数据时就无需考虑32位数据的组装和拆分。
    信箱数据的传送有寄存器读写和硬件直接访问两种方式。为实现信箱数据的硬件直接访问，S5920配备有专用的外部信箱数据和锁存引脚。信箱的每个字节都可以引起PCI总线或外加总线的中断，通过对操作寄存器的编程，可以选择在信箱写入数据时哪一个字节引起中断，这些中断既可以产生在PCI总线上也可以产生在外加总线上。S5920还有一种特有的机制，即直接由硬件接口引起PCI总线上的中断或在外加总线上通过一组专用的引脚访问信箱，如果中断被允许，那么数据锁入信箱将产生PCI总线上的一个中断。
2 ．4  直通通道
　　S5920提供了4个可映射到内存或I／O空间的模块，即直通通道。每个直通通道的地址范围代表一个地址块，其大小由用户定义，最大范围为512M字节。每一个地址块的数据宽度可在8／16／32位中选择。通过直通通道，PCI总线可以直接使用外加接口上的资源，在猝发模式下，能够以最大带宽传送数据。
　　为加速数据的吞吐率，直通通道中集成了两个32字节的FIFO。允许写FIFO可使S5920能够零等待地从PCI总线接收猝发传送数据而无须理会外加总线的响应速度；允许读FIFO则可实现数据从外加总线的预取，从而使PCI总线也能零等待地执行读周期。这一特点将大大提高PCI总线的效率，并提升外加总线设计的性能。
    需要强调的是，S5920的FIFO是作为直通通道的可选组件，而不是一个独立的FIFO通道，且只有32字节，不能扩充。与之不同的是，S5933的 FIFO是一个双向的独立通道，可实现总线主控方式下的高速数据传送，但直通通道没有收发FIFO，从这个意义上说，S5920的直通通道性能强于 S5933；另一个与S5933不同的地方是，S5920的直通通道还支持一种主动／被动模式的外加总线接口。在被动模式下，要求开发者通过在外部驱动外加总线来实现数据传输；在主动模式下，允许内部逻辑驱动外加总线或要求外加总线独立读／写数据，从而减小了对外部电路的依赖。另外，主动模式还能产生可编程的等待状态，以降低外加总线设计的性能要求。

3  主要信号引脚

　　 S 5920信号一般分为三组，即PCI接口信号、nvRAM接口信号和外加接口信号。其中，PCI接口信号符合PCI2．2规范，nvRAM接口信号符合I²C串行总线标准，这里不再赘述。而S5920外加总线信号分为输入（in）、输出（out）和双向三态（t／s）三种。下面对S5920的外加总线引脚作一分类描述：
3 ．1 信箱通道引脚
　　MDMODE：（in），信箱通道数据模式选择端。高电平时，MD［7∶0］信号恒为输入；低电平时，由LOAD＃信号控制MD［7∶0］为输入或输出。
    LOAD＃：（in），高电平时，MD［7∶0］为输入，下一个时钟ADCLK的上升沿将数据锁入到外加总线输出信箱寄存器的第三字节；当低电平且MDMODE为0时，MD［7∶0］上显示PCI输出信箱寄存器中第三字节的内容。
    MD［7∶0］：（t／s），信箱通道数据总线。
3．2  直通通道引脚
　　PTMODE：（in），直通通道工作方式选择端。高电平时，S5920工作于被动方式，此时允许外设读／写总线上的数据；低电平时，S5920工作于主动方式，该方式允许S5920主动地驱动信号和数据上总线。
    PTATN＃：（out），直通通道提示信号，用于表示一个PCI总线周期正在进行。
    PTBURST＃：（out），直通通道猝发传送指示。高电平时，表示当前PCI总线操作是猝发方式；低电平时，为单周期方式。
    PTRDY＃／WAIT＃：（in），PASS＿THRU准备好／等待信号。被动方式下，该信号为PTRDY＃，有效时表示外加总线已经响应PTATN＃信号，且读／写数据完毕；主动方式下，该信号为WAIT＃，有效时插入等待状态或阻止S5920驱动数据上总线。
    PTNUM［1∶0］：（out），PASS＿THRU通道号，表示在PASS＿THRU激活期间，地址落在哪一个通道范围，仅在PTATN＃为低时有效。
    PTBE［3∶0］＃：（out），PASS＿THRU字节允许。在PCI对PASS＿THRU的读操作中，指示32位双字的哪一个字节写入S5920；在PCI向PASS＿THRU的写操作中，指示32位双字的哪一个字节从S5920中读出。这几个信号仅在PTATN＃为低时有效。
    PTADR＃：（t／s），PASS＿THRU地址请求信号。被动方式下是一个输入信号，有效时，S5920将当前地址放置到外加总线上。主动方式下是一个输出信号，表明一个PASS＿THRU地址在DQ总线上。
    PTWR：（out），PASS＿THRU读／写信号。表明当前PCI与PASS＿THRU间的数据传输是读周期还是写周期。仅在PTATN＃为低时有效。
    DXFER＃：（out），主动方式传送完毕。被动方式下不用。

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