PCI總線接口設(shè)計及專用接口芯片的應(yīng)用

1 引言

隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展和普及，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)迅速得到了廣泛的應(yīng)用。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能的好壞主要取決于它的精度和速度。在保證精度的條件下，應(yīng)用盡可能高的采樣速度，以滿足對信號的實時采集和實時處理;而要實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集，不僅需要高性能的adc等設(shè)備，而且需要高速的數(shù)據(jù)傳輸。目前isa總線己經(jīng)逐 漸退出了歷史舞臺，開發(fā)基于pci總線的數(shù)據(jù)采集卡己經(jīng)是勢在必行。

2 pci總線接口概述

pci總線的信號線包括32根地址數(shù)據(jù)復(fù)用線、仲裁、接口控制線、總線命令字節(jié)允許復(fù)用線和系統(tǒng)復(fù)位等。在進行基本的數(shù)據(jù)傳輸操作時，數(shù)據(jù)線先出現(xiàn)地址, 同時總線命令出現(xiàn)在c/be〔3:0〕上，設(shè)備根據(jù)這些命令判斷所要進行的操作，在接下來的數(shù)據(jù)節(jié)拍中傳輸數(shù)據(jù)，如果傳送或接收方?jīng)]有準備好，那么就插入等待周期。pci總線的其它操作還有設(shè)備選擇、配置周期和中斷應(yīng)答等。

pci總線協(xié)議復(fù)雜，需要在外部設(shè)備和pci總線之間增加一個接口電路。接口電路實現(xiàn)比較困難，目前實現(xiàn)pci接口的方法主要有:利用cpld或fpga 可編程邏輯器件和利用專門的pci接口芯片等多種方法實現(xiàn)。pci接口芯片具有設(shè)計簡單、功能強大、可靠性好等特點，從而大大減少了開發(fā)人員的工作量。在 實際工作中我們綜合各方面的因素，在本文選擇了pci9054。

3 pci9054芯片

3.1 pci總線通用接口芯片簡介

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;提供了兩個獨立的可編 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/33mh;本地端(local bus)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132mb/s;本地總線端時鐘最高可達50mhz支持復(fù)用/非復(fù)用的32位地址數(shù) 據(jù)。pci9054的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 pci9054內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

由圖1可知，pci9054提供了pci、eeprom、local總線三個接口。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(fifos)。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，同時可以根據(jù)用戶的需要采用與pci時鐘異步的本地頻率。串形 eeprom(serial 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(internal regi- sters)標識地址映射關(guān)系以及pci端和本地端工作狀態(tài)。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)。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸模式

pci9054的數(shù)據(jù)傳輸模式靈活多樣,包括直接主模式(pci master)、直接從模式(pci target)、dma模式。

數(shù)據(jù)傳輸模式的選擇主要是要根據(jù)硬件設(shè)計者對硬件設(shè)計的需求而定的。當硬件設(shè)計者選擇由pci發(fā)起控制的時候，則pci9054應(yīng)該為pci的工作目標， 這時應(yīng)選擇pci 9054的工作方式為pci從模式。當硬件設(shè)計者選擇本地端發(fā)起控制的時候，pci9054成為主控設(shè)備，而pci則成為pci9054的工作目標，這種 情況下應(yīng)選擇pci9054的工作方式為pci主模式。在數(shù)據(jù)進行dma傳輸時，pci9054對pci端和local端都是主控設(shè)備，本身具有dma控 制器完全可以脫離pc機進行dma控制，此時pci9054工作在dma傳輸模式。

3.3 本地總線工作方式

pci9054本地總線可工作在m,c,j三種模式。

m模式是專為motorola公司的mcu設(shè)計的工作模式。c模式下9054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，很方便地為本地工作時序 提供各種工作方式，一般較廣泛應(yīng)用于系統(tǒng)設(shè)計中。j模式是一種沒有l(wèi)ocal 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。pci9054的工作方式可利用模式選擇引腳加以選擇，對于 176pin-pqfp封裝的9054芯片模式選擇引腳為pin156(mode1)和pin 157(modeo)。只要將這兩個腳接地便可選擇了c模式;兩個腳都接 則選擇了m模式;pin156接地，pin157接則選擇了j模式。

4 利用pci9054進行pci接口電路的設(shè)計

4.1 接口電路的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示:

圖2 硬件結(jié)構(gòu)圖

4.2 pci9054與pci bus接口

硬件接口電路的第一部分是9054與pci插槽間的連接信號線。這些信號包括地址數(shù)據(jù)復(fù)用信號ad[31:0]，總線命令信號 c/be[3:0]和pci 協(xié)議控制信號par,frame#，irdy#，trdy#，stop#，idsel，devsel#等。電路連接中將彼此對應(yīng)的信號線連接在一起即可。在pci總線信號中，除了rst#，inta#~intd#之外,其它所有信號都在時鐘上升沿被采樣。每個信號都有相對于時鐘前沿的建立和保持時間。在此期間,不允許有信號跳動。該時間一過，信號的變化就無關(guān)緊要了。這種建立和保持時間對于不同的信號其情形是不同的。對于ad[31:0]、par和 idsel來說,只有在一定的時鐘邊沿上才有上述時間的要求。對于 lock#，irdy#，trdy#，frame#，devsel#，stop#，req#, gnt#，serr#和perr#這些信號在每個時鐘前沿都有建立和保持時間。對于c/be[3:0]#在傳輸總線命令時，要在frame#第一次建立時 對應(yīng)的時鐘邊沿上遵守建立和保持時間的關(guān)系。若傳輸字節(jié)使能信號時，要在完成一個地址期或數(shù)據(jù)期之后的每一個時鐘邊沿保證相應(yīng)的建立和保持時間。

4.3 pci9054與eeprom接口

各種接口芯片都需要外接串行eeprom芯片來加載配置數(shù)據(jù)。對于串行eeprom芯片，需要根據(jù)接口芯片數(shù)據(jù)手冊中給出的生產(chǎn)廠家及型號選擇，這里選擇 microchip technology公司的 93lc46b。pci9054提供4個管腳與串行eeprom相連接，它們分別是eedi，eedo，eesk， eecs，對應(yīng)于93lc46b的di, d0, sk, cs這4個管腳,這4對管腳直接相連就可以。另外93lc46b的vcc管腳需要接+5v電源，gnd接地。因為需要對串行eeprom進行寫操作，串行 eeprom應(yīng)處于可編程而且非保護狀態(tài)，所以pe接高電平而pre接低電平。93lc46的技術(shù)手冊規(guī)定兩個管腳上拉和下拉的電阻應(yīng)為10k左右。[!--empirenews.page--]

4.4 pci9054與local bus接口

硬件電路第三部分是pci 9054與local端連接。plx9054芯片local端用到的部分引腳信號描述如下。

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:地址線。ld: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 plx9054等待狀態(tài)產(chǎn)生器，輸入信號。

4.5 寄存器配置

設(shè)計好接口電路后，硬件設(shè)計工作還只完成了一半。由于pci 9054是通用pci接口功能芯片，它的功能還不一定能夠滿足用戶的需求，所以還要進行功能寄存器設(shè)置以使接口電路具有特定的功能。寄存器的配置包括 eeprom初始化、local功能寄存器和pci配置寄存器的配置。

(1) eeprom初始化

在計算機的加電自檢期間，pci總線的rst#信號復(fù)位，plx9054內(nèi)部寄存器的默認值作為回應(yīng)。plx9054輸出本地lreset#信號并檢測串 行eeprom。如果串行eeprom中的前33個比特不全為1，那么plx9054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plx9054的內(nèi)部寄存器;配置的信息(設(shè)備識別號、供應(yīng)商代碼號、local總線三個空間的大小以及三個空間的基址等)事先要利用編程器寫入配置存儲器中，也可以在p1xsdk中的plxmon下對eeprom進行配置。

(2) pci配置寄存器的配置

配置pci配置寄存器比較簡單。主要是填寫生產(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10b5，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)備中的其它橋 設(shè)備類。

(3) 本地配置寄存器的配置

對于本地配置寄存器的配置就是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。

4.6 驅(qū)動程序的開發(fā)

設(shè)備驅(qū)動程序提供鏈接到pci板卡的軟件接口，文件擴展名為.sys的動態(tài)鏈接庫。在windows98和windows2000中，設(shè)備驅(qū)動程序必須根 據(jù)windows驅(qū)動程序模型(wdm)設(shè)計。設(shè)備驅(qū)動程序的關(guān)鍵是如何完成硬件操作，基本功能是完成設(shè)備的初始化、對端口的讀寫操作、中斷的設(shè)置和響應(yīng) 及中斷的調(diào)用,以及對內(nèi)存的直接讀寫。本設(shè)計應(yīng)用基于vc++的driverworks軟件，只要在它的向?qū)С绦?driverwizard)指引下，根據(jù)硬件的具體情況設(shè)置必要參數(shù)就可以很方便地完成驅(qū)動程序的框架，最后根據(jù)具體的要求添加新的類對象和所需代碼即可。

5 結(jié)束語

隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展,要求的數(shù)據(jù)傳輸速率將會越來越高。pci9054以其強大的功能，簡單的用戶接口，為pci總線接口的開發(fā)提供了一種簡潔的方法，設(shè)計者只要設(shè)計本地總線接口控制電路，即可實現(xiàn)與pci總線的高速數(shù)據(jù)傳輸。