基于接口芯片PCI 9030的PCI總線接口卡的設(shè)計
關(guān)鍵詞：PCI總線；PCI9030；寄存器；驅(qū)動程序
1、引言
作為對PCI總線在儀器領(lǐng)域的擴展，PXI總線由于具有高性能、低價位等特點，使其在數(shù)據(jù)采集、工業(yè)自動化系統(tǒng)、計算機機械觀測系統(tǒng)和圖像處理等方面獲得了廣泛應(yīng)用。
但是PXI總線協(xié)議十分復(fù)雜，其接口的實現(xiàn)比ISA困難得多，直接為它設(shè)計相匹配的數(shù)字邏輯控制電路難度很大。特別是對于那些沒有PCI板卡設(shè)計經(jīng)驗的人來說，要想直接設(shè)計出能滿足要求的PXI模塊幾乎是不可能的事。而PXI總線的電氣規(guī)范大部份跟PCI相同，只是增加了一些儀器特性?；谝陨峡紤]，我們決定通過設(shè)計一個PCI接口卡來系統(tǒng)地了解利用接口芯片PCI 9030開發(fā)PXI模塊的過程和方法。
2、硬件設(shè)計
目前實現(xiàn) PCI 接口的方法主要是采用可編程邏輯器件或采用專用接口芯片。為降低難度，縮短開發(fā)時間 ，我們決定采用專用接口芯片來進行接口的開發(fā)。因為我們的最終目的是開發(fā)PXI模塊，所以我們選用了符合PXI性能要求的接口芯片PCI 9030。PCI 9030 是 PLX 公司開發(fā)的一種為擴展適配卡推出的高性能目標接口芯片，其符合 PCI2.2 規(guī)范，3.3V 核心電壓，低功耗，176 引腳 PQFP 或180 引腳 BGA 封裝，本地總線可以設(shè)置為 8 位、16 位、32 位復(fù)用和非復(fù)用模式。
在我們原來的性能測試系統(tǒng)中，功率計模塊是基于ISA總線的插件，端口地址是ox100-ox107,數(shù)據(jù)總線寬度是8位，具有輸入輸出功能。我們要設(shè)計的接口卡所實現(xiàn)的功能相當(dāng)于一個從ISA總線到PCI總線的轉(zhuǎn)接卡。PCI 9030作為一種橋接芯片，提供了PCI總線、EEPROM和ISA總線三個接口，下面分別介紹各部分的接口電路：
第一部分是PCI9030與PCI總線的接口。這些信號包括地址數(shù)據(jù)復(fù)用信號AD[31:0]、總線命令和字節(jié)使能信號C/BE[3:0]、奇偶校驗信號(PAR), 幀周期信號(FRAME#)、主設(shè)備準備好信號(IRDY#), 從設(shè)備準備好信號(TRDY#),停止數(shù)據(jù)傳送信號(STOP#),初始化設(shè)備選擇信號(IDSEL), 設(shè)備選擇信號(DEVSEL#)、數(shù)據(jù)奇偶校驗錯誤報告信號(PERR#)、系統(tǒng)錯誤報告信號(SERR#)、時鐘輸入信號(CLK),復(fù)位信號(RST#)、中斷信號(INTA#)等。電路連接中，把兩邊對應(yīng)的管腳相連就行，中間不需要用電阻隔離。
第二部分是PCI9030與EEPROM的接口。EEPROM選用NATIONAL公司的NM93CS66L；它是一個4K的低電壓串行存儲器，用來存儲PCI9030的配置信息并在芯片復(fù)位時進行加載，從而使PCI板卡具有即插即用的功能。PCI9030有四根信號線用于與EEPROM的連接：EESK, EEDO, EEDI和EECS。
PCI9030與EEPROM的電路連接如圖1所示:
圖1
第三部分是PCI9030與ISA總線的接口。
ISA總線功率計模塊的主要信號只涉及到I/0,且為8位寬的數(shù)據(jù)總線，數(shù)據(jù)傳輸只用到端口讀寫信號IORD#和IOWR#，用A0-A9作為地址譯碼。在接口芯片的本地端中我們采用非復(fù)用模式，地址和數(shù)據(jù)總線都是8位，所以只需選擇LA2、LBE0和LBE1進行地址譯碼就可以了。具體的電路連接見下表：
|
ISA端 |
PCI9030本地端 |
功能描述 |
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A0 |
LBE0# |
用作本地地址LA0 |
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A1 |
LBE1# |
用作本地地址LA1 |
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A2 |
LA2 |
本地地址 |
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A3 |
BLAST# |
突發(fā)持續(xù) |
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A4 |
ADS# |
本地地址選通 |
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A5 |
READY# |
本地準備好輸入 |
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A6 |
CS1# |
片選1 |
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IORD# |
RD# |
讀選通 |
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IOWR# |
WR# |
寫選通 |
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AEN |
LW/R# |
寫/讀控制 |
3、EEPROM的配置
PCI總線能實現(xiàn)“即插即用”是因為它具有一個配置空間。當(dāng)計算機啟動時，BIOS會對每個PCI卡的配置空間進行訪問，即自動加載EEPROM內(nèi)容來獲取各個PCI卡的配置信息，并根據(jù)這些信息進行資源分配。配置空間是PCI所特有的一個空間，所有的PCI設(shè)備必須提供配置空間。
對EEPROM的配置要根據(jù)具體的硬件設(shè)備來進行，其配置的正確與否是硬件設(shè)備能否正常工作的關(guān)鍵。下面以我所做的接口卡的串行EEPROM內(nèi)容為例進行介紹。
首先介紹PCI配置寄存器的配置方法。主要是填寫器件ID號、供應(yīng)商ID號、類碼、子系統(tǒng)ID號和子系統(tǒng)供應(yīng)商ID號等。對于PCI9030，其器件ID號為9030, 供應(yīng)商ID號為lOB5 ,子系統(tǒng)ID號為9030,子系統(tǒng)供應(yīng)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。另外，由于使用到中斷INTA#，所以在中斷寄存器中要將其值設(shè)為0100。
其次介紹本地配置寄存器的配置方法。PCI9030本質(zhì)上是一個橋設(shè)備，它的作用是把對某一段PCI總線地址空間的各種操作(包括讀、寫等)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的本地地址總線的操作。由于在接口卡的本地總線中只用到I/O地址空間，所以我們只需對本地地址空間1的相關(guān)寄存器進行配置就行了。本地空間1范圍寄存器的值為oxFFFFFFF9，表示I/O空間大小為8個字節(jié), bit0為1表示此空間被映射為I/O空間；本地空間1基地址寄存器的值為ox00000101，表示空間1的基地址為ox100, bit0為1表示空間1使能；本地空間1描述寄存器的值為ox00000022,表示本地空間1的數(shù)據(jù)總線寬度為8位。本地片選寄存器1的值是ox00000105,表示當(dāng)本地地址落在ox100-ox107內(nèi)時，片選信號CS1#有效以用來選擇本地總線上的外圍設(shè)備。對于其它值的含義可參考PCI9030的數(shù)據(jù)手冊，這里就不再一一介紹。圖2是PLXmon界面下EEPROM的配置窗口。
圖2
4、板卡調(diào)試
板卡做好后，就可以插入計算機的PCI插槽進行調(diào)試。如果硬件電路設(shè)計正確，在自檢過程中，可以在屏幕上看到系統(tǒng)查找到的PCI設(shè)備，并且顯示出設(shè)備的DID和VID等相關(guān)信息。在系統(tǒng)正常啟動后，會提示“發(fā)現(xiàn)新硬件”，并要求用戶安裝相應(yīng)的驅(qū)動程序，跳過以后就可以配置EEPROM進而開始調(diào)試。對EEPROM的編程有兩種方法：一是先用專門的燒錄器把數(shù)據(jù)下載到EEPROM再插入板卡中，這種方法修改起來比較麻煩；二是用專用的軟件在線寫，如PLX公司提供的專用調(diào)試軟件PLXmon。PLXmon具有以下功能:PCI總線的探測與選擇；配置寄存器的檢查和修改；內(nèi)存空間的顯示、修改和填充;EEPROM內(nèi)容的讀寫等。利用這個工具，我們可以隨時對EEPROM的內(nèi)容進行在線修改，大大提高了效率。值得注意的是每次修改完EEPROM都要對系統(tǒng)進行重啟，使PCI配置寄存器和本地空間配置寄存器能夠重新加載新的值。
5、驅(qū)動程序的編寫
在板卡調(diào)試完成后，需要編寫驅(qū)動程序。驅(qū)動程序的開發(fā)工具很多，但是多數(shù)需要了解操作系統(tǒng)的核心工作機制，難度比較大。經(jīng)過比較，我們采用了Jungo公司的WinDriver進行驅(qū)動程序的開發(fā)。利用WinDriver我們不必熟悉操作系統(tǒng)的內(nèi)核知識就可以快速開發(fā)出驅(qū)動程序，它對于硬件調(diào)試也是一個很好的幫助工具。
用WinDriver開發(fā)PCI設(shè)備驅(qū)動程序一般有兩種方法:一種是使用向?qū)?Driver Wizard), Driver Wizard能夠自動生成驅(qū)動程序的框架代碼，我們只需修改代碼，加入定制的功能，再在用戶態(tài)執(zhí)行和調(diào)試代碼就行；另一種是直接在應(yīng)用程序中調(diào)用WinDriver的API函數(shù)。
我們在開發(fā)驅(qū)動程序中采用的是前一種方法，其基本流程如下:
a. 打開Driver Wizard，在Card Information的設(shè)備列表中選中自己的設(shè)備，如圖3，點擊“Generate .INF file”生成安裝信息文件；
圖3
b. 點擊“下一步”，進入WinDriver 資源定義與測試界面中，如圖4, 調(diào)試列出的I/O、內(nèi)存等資源，并定義必要的工作寄存器，如PCI卡上的一些配置寄存器；
圖4
c. 點擊“Generate Code"，選擇VC編譯器作為自己的開發(fā)語言環(huán)境，此時將生成針對硬件設(shè)備的文件，包括代碼文件、說明文件以及適用于VC編譯器的項目文件。
最后，對向?qū)Мa(chǎn)生的設(shè)備驅(qū)動代碼框架中添加自己的代碼，編譯連接后就可以生成對設(shè)備進行診斷的控制臺程序了。
6、結(jié)束語
本文作者創(chuàng)新點：在以往的接口卡設(shè)計中，對于實現(xiàn)ISA總線向PCI總線轉(zhuǎn)換的方法都是采用帶ISA接口的接口芯片，如PCI9052，這可以大大簡化開發(fā)PCI設(shè)備的過程。由于課題需要，我們選用了一種不帶ISA接口的接口芯片-----PCI9030制作了一個PCI接口卡。經(jīng)反復(fù)調(diào)試，該接口電路能夠順利地完成數(shù)據(jù)傳輸，已經(jīng)成功地實現(xiàn)PCI總線與外設(shè)的連接，這一方面驗證了用專用接口芯片實現(xiàn)PCI總線接口在技術(shù)上的可行性，另一方面也為下一步開發(fā)PXI模塊打下良好基礎(chǔ)。
同時，本文中對接口卡的硬件電路連接、EEPROM的配置、驅(qū)動程序的編寫等方面都作了比較詳細的介紹，這對于那些初次接觸PCI總線開發(fā)的人有一定的指導(dǎo)意義。
參考文獻
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[4] 湯淵清等. 基于WinDriver實現(xiàn)對PCI數(shù)采卡的快速檢驗. 微計算機信息(測控自動化), 2004.20(6)
[5]王胡艦等. 利用接口芯片PCI9052制作PCI總線接口卡詳解. 工業(yè)控制計算機，2004.12
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