基于PCI總線的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

外圍部件互連總線PCI（Peripheral CompONent Interconnect）總線，是一種先進(jìn)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(dá)132 MB／s），是現(xiàn)在PC領(lǐng)域中流行的總線。PCI總線具有嚴(yán)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(kuò)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(jìn)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(dú)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(shí)現(xiàn)8、16、32位的數(shù)據(jù)寬度，傳輸速率最高可達(dá)132 MB／s，本地總線端時鐘最高可達(dá)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(biāo)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(biāo)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(shí)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(jī)時初始化配置內(nèi)部寄存器的。內(nèi)部寄存器（ItnternalRegis-ters）標(biāo)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(jì)算機(jī)主機(jī)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(jì)實(shí)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(jì)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(jì)原理框圖如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)原理框圖

2.1 PCI9054硬件接口設(shè)計(jì)

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(shí)現(xiàn)FPGA作為RAM控制器。PCI9054專用接口芯片內(nèi)部2個獨(dú)立DMA通道，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)在PC機(jī)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。

圖2 接口電路示意圖

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(yán)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(jī)。

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(jì)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(jì)。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(jì)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(yán)格仿效PCI總線的時序。J模式的接口設(shè)計(jì)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(kuò)充ROM空間），本設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)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(rèn)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(jìn)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(shí)際開發(fā)的硬件板卡的硬件資源進(jìn)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(jī)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(jì)

數(shù)據(jù)緩存器由兩組SRAM組成，在模擬數(shù)據(jù)時，主機(jī)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(jī)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(jī)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(jì)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(dú)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(jī)或Loeal主機(jī)提供PCI和Local的起始地址、傳輸字節(jié)數(shù)、傳輸方向。主機(jī)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(jī)（PCI主機(jī)或LOCAL主機(jī)）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(jī)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。

圖3 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程圖

通過設(shè)置其DMA控制器內(nèi)部的寄存器即可實(shí)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(shí)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(jì)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(zhǔn)備好以后發(fā)中斷告訴主機(jī)已經(jīng)準(zhǔn)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(zhǔn)備好，主機(jī)收到中斷后，清除中斷，填寫啟動DMA開始寄存器，把計(jì)算機(jī)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(jī)PCI中斷，主機(jī)收到中斷后清除中斷，并等待硬件準(zhǔn)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(jì)

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(shí)現(xiàn)源代碼級兼容。WDM驅(qū)動程序還細(xì)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(xì)節(jié)，負(fù)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(fù)責(zé)管理硬件與計(jì)算機(jī)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(jì)

項(xiàng)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(qiáng)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(jì)。

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(diǎn)，分析Windows的WDM驅(qū)動程序的特點(diǎn)，對所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)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(jì)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(shí)時性。