基于PCI9054的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計

摘要：為了實現(xiàn)把軟件仿真的數(shù)據(jù)通過PCI總線DMA傳輸、處理后轉(zhuǎn)換成高速視頻串行數(shù)據(jù)流(LVDS數(shù)據(jù)流)，設(shè)計出了基于PCI9054的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊。通過介紹PCI總線接口協(xié)議芯片PCI9054的性能、特點，分析了windows的WDM驅(qū)動程序的特點，在軟硬件設(shè)計中采用把數(shù)據(jù)緩存器設(shè)置為兩組SRAM的結(jié)構(gòu)，兩組SRAM交替進行數(shù)據(jù)存取的方式，有效克服了數(shù)據(jù)流不連續(xù)的現(xiàn)象，解決了形成不間斷數(shù)據(jù)流和兩次DMA傳輸之間的數(shù)據(jù)間斷問題。應(yīng)用結(jié)果表明，該設(shè)計可滿足數(shù)字視頻帶寬20 MHz以內(nèi)的LVDS數(shù)據(jù)流的轉(zhuǎn)換與傳輸。
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；PCI9054；DMA數(shù)據(jù)傳輸；LVDS數(shù)據(jù)流；寄存器

    外圍部件互連總線PCI(Peripheral Component Interconnect)總線，是一種先進的高性能32／64位地址數(shù)據(jù)復(fù)用局部總線，可同時支持多組外圍設(shè)備，并且不受制于處理器，為中央處理器與高速外圍設(shè)備提供了一座溝通的橋梁，提高了數(shù)據(jù)吞吐量(32位時最大可達132 MB／s)，是現(xiàn)在PC領(lǐng)域中流行的總線。PCI總線具有嚴格的總線規(guī)范，這就保證了它具有良好的兼容性，符合PCI總線規(guī)范的擴展卡可以插入任何PCI系統(tǒng)可靠地工作。

1 PLX-PCI9054的結(jié)構(gòu)和性能
    PCI9054是PLX公司生產(chǎn)的PCI總線通用接口芯片，采用先進的PLX數(shù)據(jù)管道結(jié)構(gòu)技術(shù)，符合PCIV2．1和V2．2規(guī)范。提供2個獨立的可編程DMA控制器，每個通道均支持塊和分散／集中的DMA方式，在PCI總線端支持32位／33 MHz，本地端可以編程實現(xiàn)8、16、32位的數(shù)據(jù)寬度，傳輸速率最高可達132 MB／s，本地總線端時鐘最高可達50 MHz支持復(fù)用／非復(fù)用的32位地址數(shù)據(jù)。
    PCI9054提供了PCI、EEPROM、LOCAL總線3個接口。PCI9054作為一種橋接芯片在PCI總線和LOCAL總線之間提供傳遞消息，既可以作為兩個總線的主控設(shè)備去控制總線，也可以作為兩個總線的目標設(shè)備去響應(yīng)總線。PCI9054有6個零等待可編程FIFO存儲器，它們分別完成PCI發(fā)起讀、寫操作，PCI目標讀、寫操作和DMA讀、寫操作。由于FIFO存儲器的存在，數(shù)據(jù)可以大量突發(fā)傳輸而不丟失。這樣不僅滿足實時性要求，同時可根據(jù)用戶的需要采用與PCI時鐘異步的本地頻率。串行EEPROM是用來在開機時初始化配置內(nèi)部寄存器的。內(nèi)部寄存器(ItnternalRegis-ters)標識地址映射關(guān)系以及PCI端和本地端工作狀態(tài)，包括PCI配置寄存器組、Local配置寄存器組、Runtime寄存器組、DMA寄存器組、I2O消息寄存器組。FIFO和內(nèi)部寄存器在計算機主機或者本地端都是統(tǒng)一編址的，用戶可以從兩端通過編程訪問它們的每一個字節(jié)。

2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計實現(xiàn)
    數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊主要是為了把軟件仿真的數(shù)據(jù)通過PCI總線DMA傳輸，經(jīng)緩存、解碼、編碼、驅(qū)動等處理轉(zhuǎn)換成高速串行數(shù)據(jù)流(LNDS數(shù)據(jù)流)。本設(shè)計中，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊的硬件組成包括：PCI接口芯片PCI9054、FIGA、EEPROM和SRAM。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計原理框圖如圖1所示。

2．1 PCI9054硬件接口設(shè)計
    PCI9054供了3種物理總線接口：PCI總線接口、LOCAL總線接口和串行EPROM接口。FPGA通過專用接口芯片PCI9054與PCI總線相連，在FP-GA內(nèi)部分配一塊RAM用作數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，可用VHDL語言編程實現(xiàn)FPGA作為RAM控制器。PCI9054專用接口芯片內(nèi)部2個獨立DMA通道，可以實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)在PC機內(nèi)存與PCI板卡之間的高速傳輸，接口電路示意圖如圖2所示。

2．1．1 PCI9054與PCI總線接口
    PCI9054與PCI總線接口連接相對簡單，只要將PCI9054芯片的PCI端信號線與PCI插槽相應(yīng)的信號線對應(yīng)連接即可。這些信號包括地址數(shù)據(jù)復(fù)用信號、接口控制信號線、中斷等信號線。在電路板制作上，需注意PCI總線信號的走線，為了滿足反射條件，對信號走線有嚴格要求：普通信號長度，從插槽連接器到PCI橋芯片不大于1．5 inch(1 inch=0．025 4 m)，CLK信號走線長度為2．5±0．1 inch。否則會導(dǎo)致信號不穩(wěn)定甚至總線沖突，無法開機。
2．1．2 PCI9054與LOCAL Bus接口
    PCI9054與本地信號接口是相對重要的一部分。PCI9054有3種工作模式：M、C和J模式。M模式是專為Motorola公司的MCU設(shè)計的工作模式，主要針對Motorola公司高性能PC850／860的應(yīng)用而設(shè)計。C模式下PCI9054芯片通過片內(nèi)邏輯控制將PCI的地址線和數(shù)據(jù)線分開，方便地為本地工作時序提供各種工作方式，一般廣泛應(yīng)用于系統(tǒng)設(shè)計中。J模式是一種沒有Local Master的工作模式，它的好處是地址數(shù)據(jù)線沒有分開，嚴格仿效PCI總線的時序。J模式的接口設(shè)計相對復(fù)雜，最常用的是C模式。C模式下PCI9054分為PCIInitiator操作和PCI Target操作。在PCI Initiator操作過程中，本地總線主控設(shè)備能夠直接通過PCI9054訪問PCI總線，發(fā)起Local-to-PCI的數(shù)據(jù)傳輸。而在PCI Target操作過程中，PCI總線主控設(shè)備可以以總線寬度和突發(fā)傳輸功能訪問PCI9054的3個本地空間(空間0，空間1和擴充ROM空間)，本設(shè)計就采用了C模式。
    信號線連接主要包括：LHOLD(申請使用本地總線，輸出信號)、LHOLDA(對LHOLD應(yīng)答，輸入信號)、ADS#(新的總線訪問有效地址的開始，在總線訪問first clock設(shè)置時輸出信號)、BLAST#(表示為總線訪問的last transfer，輸出信號)、LW／R#(高電平表示讀操作，低電平表示寫操作，輸出信號)、LA[31：2](地址線)、LD[31：0](數(shù)據(jù)線)、READY#(表示總線上讀數(shù)據(jù)有效或?qū)憯?shù)據(jù)完成，用以連接PCI9054等待狀態(tài)產(chǎn)生器，輸入信號)。
2．1．3 PCI9054與EEPROM接口
    PCI9054在加電啟動時，需要從外部EEPROM讀取初始化數(shù)據(jù)來配置PCI9054的內(nèi)部寄存器，而且依賴于硬件板卡的硬件資源要求，以及選擇正確的PCI9054工作模式。PCI9054提供4個管腳與串行EEPROM相連接，它們分別是EEDI、EEDO、EESK和EECS。本文選擇的串行EEPROM是93L-C56，因此對應(yīng)于93LC56的DI、DO、SK、CS這4個管腳。
    在計算機加電自檢期間，PCI總線的RST#信號復(fù)位。PCI9054內(nèi)部寄存器的默認值作為回應(yīng)。PCI9054出本地LRESET#信號并檢測串行EEP-ROM，若串行EEPROM中的前33個bit不全為1，那么PCI9054確定串行EEPROM非空，用戶可通過向9054的寄存器CNTRL的29位寫1來加載EEPROM的內(nèi)容到PCI9054的內(nèi)部寄存器。配置的信息可在P1xSdk中的PLXMON下對EEPROM進行配置。
    EEPROM配置信息主要包括以下兩部分：1)PCI配置寄存器，填寫生產(chǎn)商ID號、器件ID號、類碼子系統(tǒng)ID號和子系統(tǒng)生產(chǎn)商ID號。對于PCI-9054，其生廠商ID號為1OB5，器件ID號為9054，子系統(tǒng)號為9054，子系統(tǒng)ID號為10B5，類碼號為0680，表示其為橋設(shè)備中的其他橋設(shè)備類。  2)本地配置寄存器的配置，即對本地地址空間及其本地總線屬性的配置。這些配置要根據(jù)實際開發(fā)的硬件板卡的硬件資源進行配置。設(shè)備人員配置寄存器的任務(wù)就是要把某一段本地地址映射為PCI地址，也就是當(dāng)主機CPU要訪問本地地址空間時，要知道其對應(yīng)的PCI總線地址。
2．2 數(shù)據(jù)緩存器設(shè)計
    數(shù)據(jù)緩存器由兩組SRAM組成，在模擬數(shù)據(jù)時，主機從磁盤陣列上讀取要模擬的數(shù)據(jù)，通過PCI總線的DMA傳輸給FPGA，首先存到SRAM-A里，SRAM-A存儲滿時，開始以一定的速率讀SRAM-A里的數(shù)據(jù)，并串轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)，用LVDS信號形式發(fā)送，在讀的同時主機啟動第二次DMA傳輸數(shù)據(jù)給FPGA，再存到SRAM-B，SRAM-A讀完、SRAM-B寫滿就開始以一定的速率讀SRAM-B的數(shù)據(jù)，并串轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)，用LVDS信號形式發(fā)送，這樣輪番交替形成“乒乓機制”，有效克服了數(shù)據(jù)流不連續(xù)的現(xiàn)象，解決了形成不間斷數(shù)據(jù)流和兩次DMA傳輸之間的數(shù)據(jù)間斷問題。

3 工作流程
    在設(shè)計中，PCI端的數(shù)據(jù)傳輸主要是利用PCI9054的BLOCK DMA模式。PCI9054集成了2個相互獨立的DMA通道，每個通道都支持Block DMA和Scatter／Gather DMA，通道0還支持Demand DMA傳輸方式。
    Block DMA要求PCI主機或Loeal主機提供PCI和Local的起始地址、傳輸字節(jié)數(shù)、傳輸方向。主機設(shè)定DMA開始位啟動DMA數(shù)據(jù)傳輸，一旦傳輸完成，PCI9054設(shè)定DMA“傳輸結(jié)束位”結(jié)束DMA。如果啟動中斷允許位，在傳輸結(jié)束時PCI9054將向主機(PCI主機或LOCAL主機)產(chǎn)生中斷。在DMA傳輸中，PCI9054既是PCI總線的主控器又是Loeal總線的主控器。
    Scatter／Gather DMA要求主機在PCI空間或Local空間設(shè)定Descriptor模塊，模塊包括PCI和Local的起始地址、傳輸字節(jié)數(shù)、傳輸方向和下一個Descriptor模塊的地址。PCI9054載人第1個Descriptor模塊并發(fā)起傳輸，連續(xù)加載下一個模塊，直到它偵測到“鏈結(jié)束位”有效，PCI 9054設(shè)置“傳輸結(jié)束位”，或者申請PCI或Local中斷。這種模式下，PCI9054也可以在每個模塊加載時有效中斷信號，結(jié)束DMA傳輸。若Desc-riptor模塊在本地存儲空間，可以編程使DMA控制器在每次DMA傳輸結(jié)束后清除傳輸字節(jié)數(shù)。具體工作流程如圖3所示。

    通過設(shè)置其DMA控制器內(nèi)部的寄存器即可實現(xiàn)兩總線之間的數(shù)據(jù)傳輸。PCI9054的DMA傳輸過程可由以下幾個步驟實現(xiàn)：
    1)設(shè)置方式寄存器：設(shè)置DMA通道的傳輸方式，寄存器DMAMODE0或者DMAMODE1；
    2)設(shè)置PCI地址寄存器：設(shè)置PCI總線側(cè)的地址空間起始地址；
    3)設(shè)置LOCAL地址寄存器：設(shè)置LOCAL總線側(cè)的地址空間起始地址；
    4)設(shè)置傳輸計數(shù)寄存器：以字節(jié)位單位設(shè)置每次DMA數(shù)據(jù)傳輸量；
    5)設(shè)置描述寄存器：設(shè)置DMA傳輸?shù)姆较颍?表示數(shù)據(jù)從PCI總線到Local總線，1表示數(shù)據(jù)從Local總線到PCI總線；
    6)設(shè)置命令／狀態(tài)寄存器：啟動或停止DMA操作。
    當(dāng)應(yīng)用程序啟動開始模擬后，驅(qū)動程序收到應(yīng)用程序開始模擬的命令后，同時填寫PCI9054的門鈴寄存器(PCI端偏移地址：60H)產(chǎn)生LO-CAL端的中斷通知硬件接收DMA的數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA收到中斷后，清除中斷，同時判斷收到開始模擬的命令。硬件準備好以后發(fā)中斷告訴主機已經(jīng)準備好，同時填寫PCI9054的門鈴寄存器(PCI端偏移地址：64H)產(chǎn)生PCI端的中斷通知硬件已經(jīng)準備好，主機收到中斷后，清除中斷，填寫啟動DMA開始寄存器，把計算機內(nèi)存空間的數(shù)據(jù)通過PCI總線傳輸?shù)絇CI9054的LOCAL端，F(xiàn)PGA接收LOCAL端的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，同時由FPGA控制讀取緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)經(jīng)并串轉(zhuǎn)換用LVDS信號形式發(fā)送。當(dāng)DMA結(jié)束后產(chǎn)生主機PCI中斷，主機收到中斷后清除中斷，并等待硬件準備好中斷來后清中斷填寫下一個DMA開始，直到模擬數(shù)據(jù)模擬完為止。

4 WDM驅(qū)動程序設(shè)計
4．1 WDM驅(qū)動程序簡介
    WDM驅(qū)動程序是一種PnP驅(qū)動程序，它同時還遵循電源管理協(xié)議，并能在Windows 98和Windows 2000間實現(xiàn)源代碼級兼容。WDM驅(qū)動程序還細分為類驅(qū)動程序(class driver)和迷你驅(qū)動程序(minidriver)，類驅(qū)動程序管理屬于已定義類的設(shè)備迷你驅(qū)動程序向類驅(qū)動程序提供廠商專有的支持。在WDM驅(qū)動程序模型中，每個硬件設(shè)備至少有兩個驅(qū)動程序。其中一個驅(qū)動程序稱為功能(function)驅(qū)動程序，了解使硬件工作的所有細節(jié)，負責(zé)初始化I／O操作，處理I／O操作完成時所帶來的中斷事件，為用戶提供一種設(shè)備適合的控制方式。另一個驅(qū)動程序稱為總線(bus)驅(qū)動程序，它負責(zé)管理硬件與計算機的連接。例如，PCI總線驅(qū)動程序檢測插入到PCI槽上的設(shè)備并確定設(shè)備的資源使用情況，它還能控制設(shè)備所在PCI槽的電流開關(guān)。
4．2 驅(qū)動程序開發(fā)環(huán)境及設(shè)計
    項目開發(fā)中選擇的是Numega公司的Driverstudio驅(qū)動程序開發(fā)工具包，它是建立在Windows Driver Development Kit之上的驅(qū)動程序開發(fā)工具，包含了VtoolsD、DriverWorks、DriverNetWorks和SoftICE等開發(fā)工具。DriverWorks用于開發(fā)普通設(shè)備的WDM驅(qū)動程序，SoftICE提供了強大的調(diào)試工具。在安裝Driverstudio之前，還需要安裝相應(yīng)操作系統(tǒng)的DDK，如XPDDK和VC6．0工具。
    在Driverstudio驅(qū)動程序向?qū)Ю锟梢暂p易方便地建立起PCI9054的驅(qū)動程序框架，而且Driverstudio還提供了PCI9054驅(qū)動程序中大量類函數(shù)的接口，降低了開發(fā)難度，縮短了程序編寫時間。調(diào)試程序可以使用SoftICE和Driver Moniter，極為方便查錯及優(yōu)化程序設(shè)計。

5 結(jié)束語
    本文通過介紹PCI總線接口協(xié)議芯片PCI9054的性能、特點，分析Windows的WDM驅(qū)動程序的特點，對所設(shè)計的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊結(jié)構(gòu)進行了詳細說明，提出了雙SBAM結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)緩存器的應(yīng)用方案。應(yīng)用結(jié)果表明，該設(shè)計可滿足數(shù)字視頻帶寬20 MHz以內(nèi)的高速串行數(shù)據(jù)流(INDS數(shù)據(jù)流)的轉(zhuǎn)換與傳輸，保證了硬件內(nèi)存大容量讀取的高速、實時性。