PCI接口擴展卡的快速開發(fā)方案

隨著計算機和控制技術(shù)的不斷發(fā)展，很多工程人員都選用PC機作為控制系統(tǒng)的操作平臺。為了能夠和外部設(shè)備通信，PC機上提供了外置的USB、串口、并口及內(nèi)置的ISA、PCI等接口。PCI總線接口速度快，系統(tǒng)占用率低，有完備的即插即用(PnP)管理體制，是目前計算機插卡式外設(shè)總線的事實標準。
　　筆者設(shè)計了一塊PCI總線多功能CAN通信I/O卡，可以完成數(shù)字量I/O、CAN總線通信的功能。本文將根據(jù)筆者的實際經(jīng)驗，介紹PCI接口擴展卡的軟硬件設(shè)計流程和一種快速開發(fā)方案。
1 PCI總線簡介
　　PCI總線標準[1]由PCISIG(PCI Special Interest Group)制定，該組織的成員有Intel、IBM、DEC等公司。目前PC機中使用的PCI總線標準主要以PCI2.0為主，其頻率為33MHz，字寬為32bit，電源電壓為5V。新版的PCI標準向下兼容，并支持66MHz時鐘，字寬為64bit，電壓為3.3V。
　　PCI總線是一種時分復(fù)用的雙向應(yīng)答總線，傳輸發(fā)起方稱為主設(shè)備，接收方稱為從設(shè)備。主設(shè)備用FRAME信號指示，從設(shè)備拉低它的DEVSEL線表示響應(yīng)傳輸請求。PCI總線的數(shù)據(jù)傳輸以幀為單位，每次傳輸由一個地址周期(Address Phase)和多個數(shù)據(jù)周期(Data Phase)組成，如圖1所示。AD0～AD31首先給出本次傳輸?shù)氖椎刂?，后面緊跟一個或多個32位(4字節(jié))寬的數(shù)據(jù)，多個數(shù)據(jù)的地址自動遞增。在地址周期，C/BE0～C/BE3這四根線的不同組合指示出在AD0～AD31上將要進行何種類型的操作，如C/BE0～C/BE3＝0110表示存儲器讀，C/BE0～C/BE3＝0011表示I/O寫。在數(shù)據(jù)周期，C/BE0～C/BE3對應(yīng)AD0～AD31上四個字節(jié)的使能。IRDY和TRDY分別表示主設(shè)備準備好和從設(shè)備準備好。在傳輸過程中，只有IRDY和TRDY同時有效，傳輸才能繼續(xù)；否則插入等待周期，用于在不同速度的設(shè)備之間協(xié)調(diào)工作。

計算機的接口卡一般會用到I/O端口、存儲器空間、中斷及DMA等計算機資源。傳統(tǒng)ISA接口卡通過更改跳線來避免多塊卡之間的資源沖突，PCI接口卡則摒棄了硬件跳線，由軟件統(tǒng)籌分配資源，這被稱為即插即用。為實現(xiàn)此功能，PCI協(xié)議除了可以對I/O空間、存儲器空間讀寫外，還定義了對配置空間的讀寫(C/BE0～C/BE3＝1010、1011)。所謂配置空間，是指映射到每塊接口卡上的256字節(jié)的特殊功能寄存器。設(shè)計者事先在配置空間的指定位置寫入需要申請使用的資源量，主板上電后，由PnP－Bios讀取各卡的配置空間，對它們所需的資源進行統(tǒng)籌分配，再將分配結(jié)果寫回對應(yīng)的配置空間地址，完成自動配置。
2 PCI接口卡的硬件設(shè)計及調(diào)試
　　以筆者設(shè)計的PCI卡為例，使用SJA1000實現(xiàn)CAN總線通信功能，需要映射32字節(jié)的存儲器空間和一個中斷資源，在功能上屬于PCI從設(shè)備(Target-only Device)。SJA1000的對外接口電路可以直接與Intel8051、8096及ISA總線連接，但是不能與PCI總線直接連接，因此需要設(shè)計用于邏輯轉(zhuǎn)換的接口電路。
　　PCI接口電路的設(shè)計一般有兩類方法：一類是使用FPGA/CPLD等可編程器件開發(fā)邏輯轉(zhuǎn)換電路。根據(jù)實現(xiàn)功能的多少，所需的等效門密度約為5000～15000門，可自行編程或者購買已有“軟核”(IP CORE)的產(chǎn)品實現(xiàn)；另一類是使用標準接口芯片對PCI總線邏輯信號解碼。第一種方法開發(fā)成本高、難度大、周期長、測試設(shè)備昂貴，但是批量生產(chǎn)成本很低，適合大規(guī)模全定制或半定制ASIC的生產(chǎn)。第二種方法相對簡單、開發(fā)周期短、性價比合理，適合本方案采用。市場上的接口芯片供應(yīng)商有PLX、AMCC、TI等公司。其中，PLX公司的接口芯片PLX9052[2]價格便宜、供貨渠道暢通、功能適用，因此這里選用PLX9052。
　　采用PLX9052的接口卡在邏輯上可分成三個功能模塊：PCI接口部分、EEPROM部分和局部總線部分，如圖2所示。

PLX9052提供完備的PCI從設(shè)備支持，PCI接口部分的47根信號線可以直接與PCI連接器(俗稱金手指)連接。PCI連接器上有兩根特殊的引線PRSNT1#和PRSNT2#，它們不參與PCI協(xié)議操作，只用來告知主板該卡消耗的電功率。
　　PLX9052 將PCI總線上的操作轉(zhuǎn)換為對局部總線的操作，即通過LAD0～LAD7、RD、WR、CS等對SJA1000的寄存器進行訪問。舉例來說，如果系統(tǒng)上電后分配給本卡的存儲器地址空間為F680 0000～F680 001F，那么當系統(tǒng)通過PCI總線訪問這個區(qū)域時，PLX9052會應(yīng)答，并將其轉(zhuǎn)換為局部地址0x0000～0x001F，對應(yīng)于SJA1000的32個內(nèi)部寄存器。另外，PLX9052自身也有一些內(nèi)部寄存器,它們被自動映射到另一片內(nèi)存區(qū)域，可通過PCI總線直接訪問。
　　PLX9052提供三種類型的局部總線信號：標準ISA模式、復(fù)用模式和非復(fù)用模式，其中復(fù)用模式和SJA1000的接口最吻合。此模式的信號和8051CPU輸出的信號基本相同，可以直接與SJA1000及其它類似接口的芯片相連，只是片選信號不再需要外部地址譯碼電路，而是由PLX9052內(nèi)部邏輯完成。
　　局部總線的時鐘可以與PCI時鐘異步，由有源晶振提供?？刂菩盘朙HOLD接地表示局部總線無需申請等待周期。LINTi1是中斷申請線，接有上拉電阻，確保無中斷時?？吭诳臻e狀態(tài)。USER0～USER4是可編程I/O引腳，USER0、1設(shè)置為輸入，USER2、3設(shè)置為輸出，由PLX9052的內(nèi)部寄存器控制，實現(xiàn)數(shù)字I/O功能。SJA1000和82C250構(gòu)成CAN總線接口電路，最高可支持1MHz的通信速率。
　　EEPROM部分用于初始化PLX9052的寄存器，在系統(tǒng)上電后讀取。PLX9052的EECS、EEDO、EEDI、EESK引腳分別與串行EEPROM 93LC46的對應(yīng)引腳相連，其中EEDO引腳加有上拉電阻，使得在未安裝EEPROM時，EEDO始終保持高電平狀態(tài)，PLX9052仍然能夠以缺省設(shè)置運行。以下對幾個主要寄存器的設(shè)置進行說明。
　　VendorID和DeviceID：生產(chǎn)廠商代號和芯片代號。VendorID由生產(chǎn)商向PCISIG申請，DeviceID由生產(chǎn)商自行制定。PLX公司的VendorID為10B5，PLX9052的DeviceID為9050，故設(shè)為10B5 9050。
　　ClassCode：表示PCI卡屬于哪種類型，如多媒體卡、顯卡等。本設(shè)計中將其定為0000 0680，表示PCI橋(PCI Bridge)設(shè)備。
　　Local Address Space 0 Range：設(shè)為FFFF FFE0，表示申請32字節(jié)的存儲器空間。[!--empirenews.page--]
　　Local Address Space 0 Local Base Address(remap)：設(shè)為0000 0001，表示將PCI總線上的地址轉(zhuǎn)換為局部總線地址0x0000～0x001F。
　　Chip Select 0 Base Address：設(shè)為0000 0011，表示在局部總線地址為0x0000～0x001F時，局部總線的片選信號有效，用于SJA1000的片選。
　　Interrupt Control/Status: 設(shè)為0000 0041， 表示中斷使能，響應(yīng)LINTi1上的中斷申請。
　　CNTRL: 設(shè)為0060 0C80，表示USER0、USER1引腳用于輸入，USER2 、USER3引腳用于輸出，初始值分別為0、1，PCI數(shù)據(jù)傳輸?shù)却瑫r長度為12個時鐘周期。
　　根據(jù)PCI標準和PLX9052的說明文檔，PCI連接器上所有的VCC、Vi/o 5V電源連接到一起，所有的GND端連接到一起，在盡可能靠近PLX9052電源引腳的地方放置高頻去耦電容。PCI總線的時鐘頻率為33MHz，不恰當?shù)牟季€會導(dǎo)致信號線之間的延時關(guān)系混亂，因此PCI協(xié)議對布線做了嚴格的規(guī)定，要求主時鐘PCI_CLK線的長度為2.5英寸，誤差應(yīng)小于0.1英寸，其它引線短于1.5英寸，推薦使用四層板。設(shè)計中可以參考市面上的聲卡和網(wǎng)卡布線實例，如考慮成本等因素，也可只使用兩層板，雙面覆銅接地。經(jīng)實踐驗證該卡能夠穩(wěn)定工作。
3 PCI接口卡驅(qū)動程序及軟件設(shè)計
　　在DOS環(huán)境下，操作系統(tǒng)對應(yīng)用程序開放所有權(quán)限，開發(fā)人員可以使用匯編指令、BIOS函數(shù)等任何方法操作硬件資源，此處不再贅述。
　　在Windows系統(tǒng)中，為避免因不當?shù)挠布僮鞫鴮?dǎo)致系統(tǒng)崩潰，應(yīng)用程序不再具有直接的硬件訪問權(quán)，如果要操作硬件，必須借助設(shè)備驅(qū)動程序。現(xiàn)有的Windows系列操作系統(tǒng)產(chǎn)品眾多，所使用的設(shè)備驅(qū)動程序結(jié)構(gòu)也有所不同。其中，VxD型驅(qū)動程序最古老，適用于Win3.x、Win95、Win98等操作系統(tǒng)；WinNT型驅(qū)動程序只適用于WinNT4.x以下版本的操作系統(tǒng)；WDM型驅(qū)動程序是WinNT型驅(qū)動程序的升級版，適用于Win98、Win2000、WinXP等操作系統(tǒng)，是今后幾年的應(yīng)用主流。
　　Microsoft為設(shè)備驅(qū)動程序的編寫提供了一些工具，如Windows Device Drivers Kit(簡稱DDK)，它包含了驅(qū)動開發(fā)所需的各種類型的定義和內(nèi)核函數(shù)庫。如果直接使用DDK，開發(fā)者需要了解整個系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和WDM規(guī)范，熟諳上千個DDK函數(shù)的功能和使用場合。用這種方法編制的驅(qū)動程序有很高的運行效率，但是開發(fā)難度大，測試流程繁瑣，一般用于有一定研發(fā)和生產(chǎn)需求的單位。
　　為減輕開發(fā)者的負擔，很多第三方廠商提供了輔助軟件。如Numega公司的DriverStudio軟件，它將DDK函數(shù)按照邏輯功能組織，把很多常用功能封裝成類，建立了一個基于C＋＋語言的面向?qū)ο蟮木幊汰h(huán)境。開發(fā)者面對的不再是上千個復(fù)雜凌亂的DDK函數(shù)，而是邏輯清晰的類庫，大大降低了開發(fā)難度和開發(fā)周期，獲得了廣泛的應(yīng)用。
　　對于速度要求不高、實時性要求不嚴的場合， Jungo公司的Windriver[3]軟件提供了一種更加快速簡潔的解決方案。它內(nèi)置一個名為Wdpnp.sys的通用核心態(tài)WDM驅(qū)動程序，將一些基本的操作如存儲器讀寫、I/O端口讀寫、中斷服務(wù)、DMA操作等進行了封裝，開發(fā)者只需編寫一個外殼程序來調(diào)用這個驅(qū)動程序,就可以對硬件設(shè)備操作，如圖3所示，圖中灰色的部分表示W(wǎng)indriver已經(jīng)提供。

Windriver提供的驅(qū)動程序經(jīng)過充分優(yōu)化，功能完備，在通用性和高效性之間做了很好的平衡。另外，Windriver專門為PLX公司的芯片開發(fā)了軟件包，因此非常適合在本方案中使用。
　　Windriver啟動后，會自行發(fā)現(xiàn)計算機上的所有即插即用設(shè)備，如圖4所示。其中“PCI：PLX PCI 9050 Target PCI Interface Chip”即指本卡。點擊“Generate.INF file‘按鈕可以生成INF文件，系統(tǒng)

用它提供的信息安裝Wdpnp.sys。

為方便在用戶態(tài)驅(qū)動代碼中操作SJA1000 和PLX9052的寄存器，可以使用Windriver為已映射的存儲器地址命名，如圖5所示，圖中CAN_IR表示中斷寄存器，CAN_CR表示控制寄存器，等等。

Windriver的核心態(tài)驅(qū)動程序內(nèi)置了中斷服務(wù)函數(shù)，它的作用有兩個：一是發(fā)送硬件清中斷指令，用戶在初始化階段告知Windriver如何清中斷(一般是對板卡上的某個寄存器進行讀寫)，由核心驅(qū)動程序自動完成。二是通知應(yīng)用程序有中斷到來，回調(diào)用戶程序的中斷響應(yīng)函數(shù)。
　　用Windriver可以生成一個基于C語言的應(yīng)用程序函數(shù)庫，用戶通過這些庫函數(shù)控制內(nèi)核驅(qū)動程序?，F(xiàn)以筆者編制的程序為例進行介紹，工程文件名取為CAN01。
　　在初始化階段，先使用 WD_Open()打開驅(qū)動程序，再用CAN01_Open()設(shè)置驅(qū)動程序工作參數(shù)，生成一個CAN01實例，最后用CAN01_IntEnable()設(shè)置用戶態(tài)中斷響應(yīng)函數(shù)。
　　在退出應(yīng)用程序前，先清除所有未處理的中斷，釋放分配的內(nèi)存，再用CAN01_Close()刪除CAN01，最后使用WD_Close()關(guān)閉驅(qū)動程序。
　　對SJA1000和PLX9052的寄存器的操作通過兩個函數(shù)完成，可以實現(xiàn)CAN總線通信和數(shù)字量I/O等功能：
　　讀操作CAN01_ReadByte()，
　　寫操作CAN01_WriteByte()。
　　本文根據(jù)筆者的實際經(jīng)驗，介紹了開發(fā)PCI總線擴展卡的軟硬件流程，給出了一套快速可行的解決方案。該方案電路簡單、調(diào)試方便、編程高效、可以使技術(shù)人員迅速掌握PCI總線的開發(fā)技術(shù)，從而設(shè)計符合個性要求的多功能擴展卡。