姚利民 孫逢春 李軍求 張承寧
采用雙端口RAM實(shí)現(xiàn)DSP與PCI總線芯片之間的數(shù)據(jù)交換接口電路。
提出了一種使用CPLD解決雙端口RAM地址譯碼和PCI接口芯片局部總線仲裁的的硬件設(shè)計(jì)方案，并給出了PCI總線接口芯片寄存器配置實(shí)例，介紹了軟件包WinDriver開(kāi)發(fā)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的具體過(guò)程。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，為滿(mǎn)足外設(shè)間以及外設(shè)與主機(jī)間的高速數(shù)據(jù)傳輸，Intel公司于1991年提出了PCI總線概念。PCI總線是一種能為主CPU及外設(shè)提供高性能數(shù)據(jù)通訊的總線，其局部總線在33MHz總線時(shí)鐘、32位數(shù)據(jù)通路時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)133Mbps。實(shí)際應(yīng)用中，可通過(guò)PCI總線實(shí)現(xiàn)主機(jī)與外部設(shè)備的高速數(shù)據(jù)傳輸，有效解決數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸和存儲(chǔ)問(wèn)題，為信號(hào)的實(shí)時(shí)處理打下良好基礎(chǔ)。
本文主要提供一種基于PCI總線的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，其中雙口RAM起橋梁作用，完成上位機(jī)與外圍主控單元之間的數(shù)據(jù)握手。
1 雙端口RAM實(shí)現(xiàn)PCI總線接口方案
本系統(tǒng)主要用于解決上位機(jī)與外圍控制單元的數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題。上位機(jī)運(yùn)行信息診斷程序，通過(guò)PCI總線與外圍控制單元以一定速率傳輸數(shù)據(jù)，在主機(jī)中實(shí)時(shí)監(jiān)控并保存數(shù)據(jù)。由于實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)量大，所以在PCI局部總線上插入一個(gè)高速雙端口RAM。雙端口RAM一端作為PCI總線接口的本地端存儲(chǔ)器，一端作為DSP目標(biāo)存儲(chǔ)器。需要傳輸保存的數(shù)據(jù)經(jīng)DSP處理后借助雙端口RAM和PCI總線接口完成了上位機(jī)與DSP的數(shù)據(jù)握手。本文提出的雙端口RAM實(shí)現(xiàn)PCI總線接口方案如圖1。
考慮到PCI總線接口對(duì)局部總線的控制時(shí)序比較復(fù)雜，需要譯碼和控制電路來(lái)實(shí)現(xiàn)局部總線的訪問(wèn)及控制。本系統(tǒng)使用CPLD解決雙口RAM的地址訪問(wèn)競(jìng)爭(zhēng)沖突問(wèn)題。需解決的主要問(wèn)題有：①PCI接口電路設(shè)計(jì)；②CPLD地址譯碼和總線仲裁；③PCI總線驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)。
2 PCI接口電路設(shè)計(jì)
PCI卡的設(shè)計(jì)一般采用兩種方案。一種是根據(jù)PCI協(xié)議在FPGA或CPLD中實(shí)現(xiàn)PCI總線接口控制器，但是由于PCI協(xié)議的復(fù)雜性，使得開(kāi)發(fā)難度大、周期長(zhǎng)；另一種使用現(xiàn)成的PCI接口芯片，用戶(hù)開(kāi)發(fā)難度降低，只把重點(diǎn)放在PCI接口芯片局部總線的接口設(shè)計(jì)和PCI總線配置空間的初始化，而不用速度考慮PCI總線規(guī)范上眾多的協(xié)議規(guī)范，加快了開(kāi)發(fā)時(shí)間。
本數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)使用PLX公司的PCI 9030總線接口芯片，以CPLD完成邏輯控制及與外設(shè)的連接，整個(gè)系統(tǒng)的硬件框圖如圖 2。其中雙端口RAM采用IDT71V321，CPLD選用XILINX公司的XC9536CPLD芯片，EEPROM選用NS公司的93CS56，控制單元DSP選用TMS 320LF2407A。
2.1 PCI 9030內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其數(shù)據(jù)傳輸
PCI 9030是PLX公司開(kāi)發(fā)的PCI總線目標(biāo)接口芯片。其特點(diǎn)：低功耗，PQFP176針?lè)庋b，符合PCI V2.2規(guī)范；在PCI總線上是從設(shè)備，但在局部總線上是主設(shè)備；PCI 9030支持突發(fā)傳輸，有5個(gè)PCI總線到局部總線地址空間，9個(gè)可編程的通用I/O，4個(gè)可編程的片選，支持熱插拔。PCI 9030主要由PCI總線接口邏輯、局部總線接口邏輯、串行E2PROM接口邏輯和內(nèi)部邏輯組成，結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖3。
PCI 9030支持PCI主設(shè)備直接訪問(wèn)局部總線上的設(shè)備，數(shù)據(jù)傳輸方式分為內(nèi)存映射的突發(fā)傳輸和I/O映射的單次傳輸，并且由PCI基址寄存器設(shè)置在PCI內(nèi)存和I/O空間中的合適位置，另外局部映射寄存器允許PCI地址空間轉(zhuǎn)換到局部地址空間。
2.2 配置實(shí)例
系統(tǒng)訪問(wèn)的雙口RAM存儲(chǔ)空間為2KB，要求將這個(gè)存儲(chǔ)器空間映射到局部地址空間0，采用內(nèi)存方式映射，存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)寬度為 8位，并且不采用突發(fā)傳輸，讀寫(xiě)時(shí)不可預(yù)取。下面介紹這個(gè)地址空間各個(gè)寄存器的具體配置過(guò)程。
(1)配置地址范圍寄存器
根據(jù)PCI配置寄存器與LAS0RR的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及雙口RAM的地址空間800H，取7FFH的補(bǔ)碼得到FFFFF800H。又因?yàn)榘凑赵O(shè)計(jì)要求，要映射到內(nèi)存空間的任何位置并且設(shè)置為不可預(yù)取的，這樣LASORR寄存器后3位應(yīng)該為000H。所以LAS0RR的值應(yīng)該最終確定為FFFFF800H。
(2)配置基址寄存器
該寄存器的基址必須是地址空間范圍的整數(shù)倍，在本例中必須是2K的整數(shù)倍，可將基地址定為 00004000H，又由于基址寄存器位0為空間使能位，所以應(yīng)將這一位設(shè)置1；至于位 2、位3，由于是映射到內(nèi)存空間，設(shè)為00H即可。所以LAS0BA的值最終被確定為00004001H。
(3)配置片選信號(hào)控制寄存器
該寄存器的地址范圍和基地址必須與LAS0RR或LAS0BA所定義 的范圍和空間相對(duì)應(yīng)�？筛鶕�(jù)PCI 9030提供的配置寄存器的方法確定CS0BASE的數(shù)值：板卡的2KB空間可以用十六進(jìn)制表示為800H，將800H右移一位得到400H，然后將基地址加到400H左邊的任何一位中。因?yàn)樗捎玫幕刂窞?0004000H，所以得到的值為00004400H；又因?yàn)榈?位為片選使能位，應(yīng)該設(shè)置為1。所以最終確定的數(shù)值為00004401H。
由于局部總線采用8位的寬度，將工作方式定義在不使能突發(fā)，不預(yù)取，配置總線區(qū)域描述寄存器的數(shù)值確定為400140A2H。另外，還要根據(jù)要求設(shè)置CNTRL寄存器控制PCI 9030的工作狀態(tài)，確定為18784500H。當(dāng)所有這些數(shù)據(jù)都配置完成后，便可將這些數(shù)據(jù)按照加載順序?qū)懭氪蠩2PROM中，從而完成整個(gè)系統(tǒng)的配置。
通過(guò)這幾個(gè)寄存器的配置，一個(gè)局部地址空間便可以確定下來(lái)。在系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)BIOS根據(jù)這幾個(gè)寄存器的內(nèi)容將板卡上2KB的RAM空間重映射到PCI空間中，使主機(jī)可以像訪問(wèn)自己的地址空間一樣訪問(wèn)板卡上的RAM。
2.3 CPLD控制邏輯
對(duì)于雙口RAM同一個(gè)地址單元，不能同時(shí)進(jìn)行讀或?qū)懖僮鳎珒蛇呥B接的主控芯片，都可以對(duì)其進(jìn)行讀、寫(xiě)操作，因此必須解決地址競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題。本系統(tǒng)中，使用XILINX公司的XC9536CPLD芯片完成PCI局部總線的譯碼和控制電路。由于系統(tǒng)控制計(jì)算主要在DSP中完成，上位機(jī)只起監(jiān)控和數(shù)據(jù)保存作用，因此規(guī)定對(duì)雙口RAM的操作DSP優(yōu)先于PCI 9030；同時(shí)CPLD也參與了DSP片外程序存儲(chǔ)器Flash和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM的地址譯碼，控制邏輯用公式表示為：
3 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)工具通常有DDK、VtoolsD、WinDrvr等。為加快開(kāi)發(fā)速度，采用JUNDO公司的WinDrvr開(kāi)發(fā)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。其使用簡(jiǎn)單，支持多種操作系統(tǒng)。
采用Windrvr開(kāi)發(fā)PCI橋接設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序有兩種方法。一種Wizard開(kāi)發(fā)向?qū)亲詣?dòng)生成驅(qū)動(dòng)程序框架代碼，然后根據(jù)實(shí)際需要，加入定制功能。這種方法生成的代碼較多，程序較復(fù)雜。另一種是在Vc++創(chuàng)建工程中直接利用Windrvr的API函數(shù)生成驅(qū)動(dòng)程序，比在Wizard生成的框架代碼上修改更為靈活。本文采用后一種方法。以下是用Windrvr開(kāi)發(fā)PCI9030橋芯片的驅(qū)動(dòng)代碼，只要稍加改動(dòng)就可以作為其他PCI芯片驅(qū)動(dòng)程序的一部分，例如PCI9050、PCI9052等。程序中出現(xiàn)的變量名都由其名稱(chēng)反映含義，具體可以參見(jiàn)Windrvr設(shè)計(jì)文檔說(shuō)明。
至此獲得了本地端映射到用戶(hù)的內(nèi)存地址，調(diào)用讀寫(xiě)函數(shù)就可以對(duì)本地芯片進(jìn)行操作。
參考文獻(xiàn)
1 鄧曉勇，韓 燮，毛 明.利用FPGA實(shí)現(xiàn)與PCI總線接口的數(shù)據(jù)通信[J].華北工學(xué)院學(xué)報(bào)，2002；23(6)：436～439
2 陳利學(xué)，孫 彪，趙玉連等.微機(jī)總線與接口設(shè)計(jì)[M].成都：電子科技大學(xué)出版社，1998
3 PLX公司.PCI 9030 Data Book.Version 1.4.May，2002
4 劉 巍.一種快速開(kāi)發(fā)PCI橋設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的方法.現(xiàn)代雷達(dá)，2002；(2)：39~40
5 黃 殉，孫政順.利用WinDriver開(kāi)發(fā)PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序.電子技術(shù)應(yīng)用，2001；27(3)：15～16
