基于PCI總線模塊的多通道串行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計

O 引言

目前市面上有多種數(shù)據(jù)采集卡，但其應用都具有一定的局限性，不可能完全滿足用戶的需求。本文介紹的數(shù)據(jù)采集卡可應用于某視頻圖像采集系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)源發(fā)送多路同步串行數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡傳入上位機用以進行后續(xù)分析。上位機向外寫控制字并轉(zhuǎn)換后以異步串行方式輸出。用以控制視頻圖像的采集。本系統(tǒng)將PCI接口邏輯和其他用戶邏輯集成于一片F(xiàn)PGA中，因而大大節(jié)省了資源，便于進行串口擴展及其他功能的添加，性能良好，用途廣泛。

1 PCI總線

PCI總線是一種高性能的局部總線，具有32位可升級到64位的、獨立于CPU的總線結(jié)構。工作頻率為33／66 MHz，最高傳送速度可達132 MB／s(32位、33 MHz)或528 MB／s(64位、66 MHz)。

PCI總線定義了Memory(存儲器)空間、I／O(輸入／輸出)空間和配置空間3種地址空間，并具有兩種工作模式：其中主模式下的PCI設備具有總線控制權，可以實現(xiàn)DMA傳輸；而被主設備控制進行通信的稱為從模式(TARGET)。

1．1 PCI總線的配置空間

所有的PCI設備都必須實現(xiàn)配置空間，該空間分為首部區(qū)和設備有關區(qū)。首部區(qū)中的強制性寄存器有：供應商代碼(Vendor ID)寄存器用于標明設備制造商)，設備代碼(Device ID)寄存器(用于指明特定的設備，它由供應商分配)，版本識別(Revision ID)寄存器，首部類型(He-ader Type)寄存器和類別寄存器(Class Code)。以上五個寄存器均可用于PCI總線上設備的識別。另外，首部區(qū)中還有兩種必須實現(xiàn)的寄存器：其中命令寄存器用于存放PCI命令，而設備狀態(tài)寄存器則用于記錄PCI的狀態(tài)信息。

操作系統(tǒng)在啟動時應判斷系統(tǒng)中有多少存儲器、以及I／O設備需要多少地址空間，然后建立統(tǒng)一的地址映射關系，這時的PCI設備需要用到基地址寄存器。另外，若要實現(xiàn)中斷，還必須設置中斷引腳(Interrupt Pin)寄存器和中斷線(Interrupt Line)寄存器。

1．2 PCI總線的中斷機制

PCI總線的硬件中斷方式分為邊沿觸發(fā)和電平觸發(fā)，PCI設備為低電平觸發(fā)(level-sensiTIve)。PCI總線上有4條中斷請求信號線：INTA #、INTB#、INTC#、INTD#，中斷引腳寄存器的值01H～04H分別對應4條中斷線，單功能PCI設備只能使用INTA#。此外，使用了中斷引腳的設備還必須實現(xiàn)中斷線寄存器。POST例程(加電自檢測程序)在進行系統(tǒng)初始化和配置時還要將中斷線信息寫入該寄存器。PCI總線中斷是可以共享的，這一方面解決了中斷資源緊張的問題，但另一方面也會給PCI中斷的實現(xiàn)帶來麻煩。

2 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

2．1 PCI配置寄存器的設置

Altera公司的PCI編譯器(PCI Compiler)提供有使用Altera器件實現(xiàn)PCI接口設計的完全解決方案。其中包括4種PCI接口兆核函數(shù)(PCI IP)及相關測試平臺。

通過PCI編譯器的IP工具臺或直接編輯生成的兆核函數(shù)頭文件可以設置并修改PCI的配置空間信息，本系統(tǒng)的主要配置信息如下：

2．2 PCI T32兆核函數(shù)的內(nèi)部結(jié)構及外圍信號

PCI Compiler提供的四種PCI IP包括PCI_M64／32、64／32位的主模式接口和PCI_T64／32、64／32位的從模式接口。本系統(tǒng)通過PCI接口與PC機傳輸32位數(shù)據(jù)，并由上位機應用程序控制系統(tǒng)工作。故該系統(tǒng)工作于32位從模式，即本系統(tǒng)的PCI接口使用PCI_T32模塊來實現(xiàn)，該模塊的內(nèi)部功能及外圍信號如圖1所示。

參數(shù)配置寄存器(Parameterizde Configuration Registers)是符合PCI規(guī)范的所有配置的寄存器，可用于識別設備、控制PCI總線功能、提供PCI總線狀態(tài)等，PCI側(cè)從模式控制模塊(PCI Target Control)用于控制PCI_T32與PCI總線的各種操作，而用戶側(cè)從模式控制模塊(Local Target Control)則用于控制PCI_T32與用戶邏輯的各種操作。

PCI_T32上PCI總線一側(cè)的信號是符合PCI協(xié)議的標準信號，該信號Local側(cè)的信號為Altera PCI IP特有的與用戶邏輯接口的信號，起著關鍵作用。其中：

l_ADI[31：0]為地址／數(shù)據(jù)輸入信號；

l_dato[31：0]為數(shù)據(jù)輸出信號；

l_adro [31：0]為地址輸出信號，讀操作時，可將PCI側(cè)地址／數(shù)據(jù)信號AD[31：0]上的第一個有效周期(即地址期)的數(shù)據(jù)輸出；

l_emdo[3：0]為命令輸出信號，其位定義及時序符合PCI規(guī)范，其為0010時為I／O讀操作，為0011時為I／O寫操作、為0110時為內(nèi)存讀操作。為0111時為內(nèi)存寫操作，為1010時為配置空間讀，為1011時為配置空間寫，用戶對這組信號進行譯碼可知其當前PCI總線上設備的操作情況；

l_irqn為用戶中斷請求信號，由于PCI總線為低電平中斷，所以，用戶邏輯若要發(fā)出PCI中斷請求，就必須將低脈沖送入l_irqn。實驗證明，低脈沖持續(xù)時間須在4～8μs之間，持續(xù)時間過短會出現(xiàn)丟失中斷現(xiàn)象，而時間過長時，操作系統(tǒng)又會重復響應同一個中斷請求；

l_tsr[11：0]可用于控制local目標設備狀態(tài)寄存器，其中D0～D5位分別對應BAR0～BAR5，哪位有效代表哪個BAR被選中；

l_dxfrn為輸出信號，表示local目標設備數(shù)據(jù)傳輸成功。

2．3 FAGA邏輯設計

一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)若要穩(wěn)定可靠地采集數(shù)據(jù)，都需要設置合適的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)由FPGA內(nèi)部IP核實現(xiàn)。圖2所示為FPGA內(nèi)部的PCI接口及數(shù)據(jù)緩沖區(qū)框圖。

同步串行通信對時鐘的同步要求非常嚴格，設計時應該注意收／發(fā)兩方必須使用同一時鐘來控制數(shù)據(jù)的傳輸。另外，PCI_T32內(nèi)存讀寫分為單周期模式和突發(fā)模式。突發(fā)模式即在給出首地址后主設備連續(xù)讀寫多個數(shù)據(jù)，這在FPGA中需要用戶端地址每周期自動增1的操作。

3 系統(tǒng)軟件開發(fā)

3．1 驅(qū)動程序

PCI設備的硬件資源由Windows操作系統(tǒng)根據(jù)PC機中所有設備對資源的占有來統(tǒng)一分配。為了保證系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定性，在Windows2000及其后的微軟操作系統(tǒng)中，運行在ring3層的用戶應用程序無法直接訪問硬件，而必須通過運行于ring0層的設備驅(qū)動程序來訪問。設備驅(qū)動不僅要實現(xiàn)對硬件的操作，還要為用戶應用程序提供專用的API函數(shù)庫，以方便用戶實現(xiàn)對硬件的操作訪問。

Windows XP操作系統(tǒng)下的驅(qū)動程序一般是基于WDM(Windows Driver Model)模型開發(fā)的。該模型中的上層應用程序通過調(diào)用Win32 API函數(shù)發(fā)出對設備的訪問請求，I／O管理器則根據(jù)這個請求構造合適的IRP(I／O Request Packet，I／O請求包)，并將其傳給設備驅(qū)動程序，接著由驅(qū)動程序直接訪問硬件完成IRP處理，最后由I／O管理器把數(shù)據(jù)和結(jié)構返回給應用程序。

WDM驅(qū)動比較常用的有以下三種方法：

第一種是直接使用Windows DDK(Device Driver Kit，驅(qū)動程序開發(fā)包)開發(fā)的驅(qū)動程序面向Windows內(nèi)核，該方法工作穩(wěn)定，效率更高。但必須精通Windows內(nèi)部體系結(jié)構及設備驅(qū)動程序的體系結(jié)構等，因此開發(fā)難度較大。

第二種是使用DriverStudio。此工具軟件已經(jīng)做了很多基礎性工作，也進行了一些封裝。

第三種是使用WinDriver，使用該方法時，開發(fā)者只需要在用戶模式下編寫程序來調(diào)用它提供的通用驅(qū)動即可。其中Drvier Wizard可以進行硬件診斷和自動代碼生成。另外還可以將對速度要求較高的模塊插入內(nèi)核運行來獲取更好的性能。本系統(tǒng)即采用WinDriver開發(fā)方法。

3．2 WinDriver中的重要函數(shù)

利用WinDriver開發(fā)驅(qū)動程序通常有兩種方法：第一種是利用Driver Wizard生成的代碼進行修改；第二種是直接利用WinDriver提供的API函數(shù)來編寫自己的程序。本系統(tǒng)即采用這種方法，開發(fā)時首先要注意包含所有相關的頭文件。其基本驅(qū)動程序的結(jié)構及API函數(shù)如下：

3．3 中斷實現(xiàn)

PCI總線的通信方式有查詢和中斷兩種方式。查詢方式實現(xiàn)簡單，但是難以適應實時性要求較高的場合，而且上位機軟件資源占用率過大；中斷方式則可克服以上缺點，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸。本系統(tǒng)將數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后存入RAM，存滿一幀數(shù)據(jù)，硬件便發(fā)出中斷請求信號，上位機響應中斷請求后，即可讀取一幀數(shù)據(jù)。

要實現(xiàn)中斷機制，就要建立一個獨立的中斷響應線程，并在主函數(shù)中完成中斷的使能、屏蔽及中斷線程的啟動。另外，使用WinDriver處理電平中斷時，還必須建立傳輸命令(INTCSR)來應答中斷。

其中斷處理過程分為四步：

第一步，調(diào)用WDC_IntEnable()，此函數(shù)的功能是分配并初始化WC_INTERRUPT結(jié)構體，自動創(chuàng)建中斷處理線程，同時在其中包含WD_Int-Wait()函數(shù)，作用是使線程休眠直至有中斷發(fā)生。另外，還可以調(diào)用底層API函數(shù)InterruptEnable()或WD_Enable()，但此時需要由用戶自己創(chuàng)建中斷線程；

第二步是中斷線程無限循環(huán)以等待中斷發(fā)生。中斷發(fā)生時，WinDriver在內(nèi)核中執(zhí)行傳輸命令，當操作返回到用戶模式時，驅(qū)動的用戶模式中斷處理例程將被調(diào)用；之后，中斷處理例程返回，但中斷等待循環(huán)繼續(xù)；最后在不再使用中斷時，調(diào)用’WDC_IntDisable()、底層API函數(shù)Inter-mptDisable()或WD_IntDisable()來關閉中斷。

3．4 驅(qū)動的分發(fā)及安裝

驅(qū)動的分發(fā)是指在目標機上不用安裝WinDriver開發(fā)包即可應用其開發(fā)的設備驅(qū)動。需要準備的分發(fā)包應包括windrvr6．sys、windrvr-6．inf、wd921．cat、waapi921．dll、difxapi．dll、自己的INF(InformaTIon File)等文件，而且即使是自己開發(fā)內(nèi)核驅(qū)動。也應包含在內(nèi)。

Windows操作系統(tǒng)依靠INF文件來得到即插即用設備的驅(qū)動程序信息。WinDriver會自動檢測PC機上的即插即用設備。并為相應硬件生成I-NF文件，而且只需稍作修改即可。INF文件可引導系統(tǒng)找到硬件所需要的驅(qū)動程序，由WinDriver生成的INF文件中列出了默認的拷貝文件win-drvr6．sys。設備驅(qū)動可通過工作于內(nèi)核模式的windrvr6．sys訪問硬件。之后在目標機上裝入驅(qū)動分發(fā)包及INF文件，即可通過應用程序控制PCI設備。

4 結(jié)束語

該數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的PCI接口邏輯和數(shù)據(jù)傳輸、處理、緩存等用戶邏輯可集成于一片F(xiàn)PGA中。因而可極大的提高資源利用率，并可滿足大量數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)囊?。上位機應用程序采用中斷方式讀取數(shù)據(jù)可大大提高系統(tǒng)的性能。目前，經(jīng)多次試驗，該系統(tǒng)已完全可以滿足工程需要。