（水声工程专业论文）基于pci总线的多通道数据采集系统的设计与实现.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h es w i f id e v e l o p m e n to fl s i ( l a r g es c a l ei n t e g r a t i o n ) a n dc o m p u t e r s i e n c e , t h ed i g i t a lt e c h n o l o g yh a sc o m ei n t oe v e r yf i e l do fk o w n l e d g e a sa n a l o g s i g n a li st h em o s tp h y s i c a li nt h en a t u r e , t h ec o n v e r s a t i o nf r o ma n a l o gs i g n a lt 0 d i 西t a lo l l eh a sb e e nt h em o s ti m p o r t a n ts t e po nt h ew a yo fs i g n a la n da n a l y s i s c o n t r 0 1 d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mc o n v e r t sa n a l o gs i g n a lt ot h ed i g i t a lo n e ，w h i c h c a l lb ei d e n t i f i e dw i t ht h ec o m p u t e r t h et h e w sp r e s e n t sad e s i g np r o j e c tb a s e do np c ii n t e r f a c e ，a n df u l f i l si t i t s t a t e sw h o l ed e s i g nb o t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r e i tm a i n l yi n t r o d u c e st h ep c i b u s ，a n d t h e s p e c i a li n t e r f a c ec h i pp l x 9 0 5 4 ，a n d t h e a p p l i c a t i o n a b o u t f p g a d e s i g n st h eh a r d w a r es y s t e ma n da c c o m p l i s h e sad e b u g g i n g ，w h i c hf o c u s o nt h es e l e c t i o no fc h i p so nt h ep c ic a r d , t h ep o w e r , t h es p e e da n dc a p a c i t ) ro ft h e s t o r a g ea n ds oo n a tt h es a m et i m e ，d i s c u s s e ds o m ep r o b l e m sw h i c hn e e dt ob e p a i da t t e n t i o nt ow h e nd e s i g nt h ep c bb o a r di no r d e rt or e d u c ee m ia n di m p r o v e t h ed i g i t a lc i r c u i t sp e r f o r m a n c e t h e n , t h i sd i s s e r t a t i o nr e s e a r c h e st h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fp c i d e v i c ed r i v e r w m d o w si sw i d e l yu s e d0 nt h ew o r l d , i t sa p p l i e da n du n i v e r s a lt o d e v e l o pt h ed e v i c ed r i v e r sf o rt h eo p e r a t i o ns y s t e m s w em a k eu s eo fw m d r i v e rt o c a l t yo u tc a r dd r i v e r t h es c h e m ei si n t e g r a t e da n de f f e c t u a l i tc o u l dm e e tm o s tr e q u i r e m e n ta d j u s t d e t a i lf o rt h ed i f f e r e n to b j e c t , t h a tc o u l dr e d u c et h ec o s ta n dr i s ko f t h ed e v e l o p k e yw o r d s ：d a t aa c q u i s i t i o n ；p c i ；d s p ；f p g a 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：趟硎 日期：礴罗月男e t 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 研究背景和意义 第1 章绪论 计算机总线扩展技术使得基于计算机的数据采集技术迅速得到应用“1 ， 基于计算机的数据采集系统结合先进的数字信号处理技术得到了最为广泛的 应用，是科研人员的重要工具，不但广泛应用于电力设备监控、遥测遥感等 测控领域，在声纳、雷达、通讯、地质、医疗器械等领域中也有着重要的应 用。他们均是首先由数据采集系统得到数字序列，然后再由高速处理系统进 行实时处理或用微型计算机进行后续处理。数据采集系统是一种应用极为广 泛的模拟量测量设备，其基本任务就是测量输入的物理信号。它将模拟量采 集、转换成数字量后，再送入计算机或相应的数字信号处理系统，根据不同 的需要进行相应的计算和处理、得出所需的数据。同时，还可以用计算机将 得到的数据进行存储、显示和打印，以实现对某些物理量的监视，其中一部 分数据还将被用作生产过程中的反馈控制量。 在数据采集系统中，数据采集部分完成信号的获取、采集和控制，总线 接口部分完成采集板卡和计算机间高速的数据传输及其相应的控制，计算机 完成信号的处理、存储与显示功能。测试软件可以根据用户的不同需要定制 不同的测量功能，在统一的硬件平台上实现不同的测试功能。 随着技术的日益发展，基于p c i 总线的设备已经成为微型计算机的标准 设备，大多数的基于微型计算机的专用设备也都是基于p c i 总线的。随着p c i 总线的普及和应用，基于p c i 总线的数据采集系统有十分广阔的应用前景和 良好的经济效益。p c i 总线设备的扩展是微型计算机应用的重要方面。 基于p c i 总线的设备扩展涉及到p c i 总线原理、w i n d o w s 环境下的设备 驱动程序、调试程序、应用程序，p c i 接口控制器等。其中最重要的设备驱 动程序、介于用户的应用程序和硬件之间，实际上可以理解为一系列控制硬 件设备的函数。驱动程序的开发和应用程序的设计是数据采集系统研发中的 重要部分，优秀的驱动程序和应用程序可以充分发挥硬件的潜力，提高系统 的性能价格比和市场竞争力。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 本文给出的软硬件系统，充分发挥硬件系统的实时性和软件系统的灵活 性，使其能够承担一般性的水声试验，希望能够为现阶段我们进行水声试验 提供了一个有用的数据采集处理工具，使我们能够获得更多的有用实验数据。 1 2 系统总体技术方案 1 2 1 总体构成 本文的设计包括硬件和软件两大部分。硬件又分为两部分，一是基于p c i 总线的多通道数据采集卡，二是可扩展的实时处理模块。硬件第一部分主要 包括模数转换部分、数据缓存部分、逻辑控制部分、p c i 总线接口部分和电 源部分。硬件第二部分为d s p 实时处理模块。软件部分包括系统逻辑控制程 序、应用程序和板卡驱动程序等。 目前实现p c i 接口电路一般的有效方案分为两种：使用可编程逻辑器件 和使用专用总线接口器件。采用可编程逻辑器件实现p c i 接口比较灵活，可 以利用的器件也比较多，但由于p c i 总线协议的复杂性，其接口的实现比i s a 等总线要医难得多，这种方法难度较大，设计周期较长，成本较高。而采用 专用接口器件不仅对p c i 协议有良好的支持，而且提供给设计者良好的接口， 这些都大大减少了设计者的工作量，能够减少开发时间和成本，并获得较好 的数据传输能力。 本文采用了专用的p c i 总线接口控制器p l x 9 0 5 4 。p l x 9 0 5 4 具有强大的 功能和简单的用户接口，为p c i 总线接口的开发提供了一种简洁的方法，可 广泛应用于嵌入式系统中。设计者只需设计出l o c a l 总线接口控制电路， 即可实现与p c i 总线的高速数据传输。随着p c i 总线的普及和应用，基于p c i 总线的传输系统有十分广阔的前景。 1 2 2 主要功能 基于p c i 总线的多通道数据采集卡的工作流程是：计算机的应用程序根 据命令通过驱动程序启动模数转换，当模拟信号通过信号调理后进入a d 芯 片，模数转换后存入存储器缓存f i f o ( f i r s t i n f i r s t o u t ：先进先出) ，在数 据存储器中存满时，硬件向主机发中断，主机响应中断后通过p l x 9 0 5 4 芯片 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 读出存放在数据存储器中的采样数据，然后进行后续处理( 如计算、存储) 。 d s p 实时处理模块是可扩展的，在逻辑控制模块的控制下，与计算机通 过l o c a l 总线接口进行通讯，以便交换数据，执行命令。 1 3 论文主要研究内容 本文要做的工作主要是硬件系统的设计与程序编写，发挥p c i 总线的性 能，达到理想的传输效率。并且使其能够承担一般性的数据采集试验，获取 实验数据，具有现场的快速分析处理能力。 作者在大量阅读技术资料和专业文献的基础上，在老师的指导下独立完 成了以下工作： 1 通过查阅相关文献和资料，选定实现方案。 2 完成了硬件设计与调试。 3 完成了f p g a 、d s p 、驱动程序等的程序设计与调试。 4 对系统进行综合测试分析。 1 4 本论文的章节安排 论文具体章节安排如下： 第一章绪论首先介绍了本论文的研究背景，指出了研制本系统的实际 意义，最后介绍了本文的主要研究内容。 第二章p c i 总线与接口实现首先给出了总线的发展情况，然后给出了 p c i 总线在数据采集系统中的应用情况及p c i 总线的规范、特点。并且给出 了接口芯片的选择方法，本系统采用p l x 公司生产的p l x 9 0 5 4 接口芯片。 并在下一章详细的介绍了此芯片的特点及其用法。 第三章p c i 总线接口芯片p l x 9 0 5 4 本章介绍了p l x 公司的p l x 9 0 5 4 的重要特征、引脚定义、芯片的工作方式及对p l x 9 0 5 4 的寄存器组进行介绍。 第四章数据采集系统的硬件设计介绍本系统的整体电路原理方框图， 简要的说明了各组成部分的功能。在整体原理框图的基础上，细化各个组成 部分内部电路的设计问题，给出主要元器件选择的一般准则，并在文中对其 内部资源配置及主要性能特点傲了全面的介绍。阐述了各部分电路的工作原 理。 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第五章数据采集系的软件设计本章首先简单的介绍一下v h d l 语言， 接着给出了f p g a 内部的组合逻辑和时序逻辑的设计方案。详细的介绍了数 据采集、数据缓冲设计，并且对板卡的驱动程序的编写进行研究，并对系统 的功能进行测试。 结论总结了本论文的设计方案和研制结果。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章p c i 总线与接口实现 2 1 微机总线发展综述 总线是计算机应用系统的重要技术，它是一组信号线的集合，是一种在 各模块间传送信号的公共通道。在微型计算机系统中，利用总线实现芯片内 部、印刷板的各部分之间、机箱内各插板之间、主机与外部设备之间或系统 与系统之间的连接与通信。几乎所有计算机总线都具有以下几种通用信号： d a t ab u s ：从属设备与总线主控设备之间进行数据传输的数据通道。 a d d r e s sb u s ：从属设备与总线主控设备之间进行传送地址信息的通道。 c o n t r o lb u s ：用来协调各部件之间的操作，是各种类型总线变化最大的 部分，也是最灵活和功能最强的一组总线。控制总线主要完成对存储器、 中断、d m a 及c p u 之间的操作，还包括主控时钟、系统同步、系统复位等 功能。 p o w e r & g r o u n db u s ：是总线结构中最简单的一组信号。在印制板的设 计中，如果对接地信号设计不合理或对电源需求缺乏周密考虑的话，极有可 能成为系统故障的根源。 下面将各种计算机总线做一个简单的介绍： i s a 总线 i s a ( i n d u s t r ys l a n d a r d a r c h i t e c t u r e 即工业标准结构总线) 是美国i b m 公 司为2 8 6 计算机制定的工业标准总线。该总线的总线宽度是1 6 位，总线频率 为8 m h z 。由于该总线使用方便，设计简单，在对数据处理能力要求不高的 场合仍然得到了广泛的应用。 e l s a 总线 e i s a ( e x t e n d e di n d u s t r ys t a n d a r da r c h i t e c t u r e 即扩展工业标准结构总线) 是为3 2 位中央处理器( 3 8 6 、4 8 6 、5 8 6 等) 设计的总线扩展工业标准。e i s a 总线包括i s a 总线的所有性能外，还把总线宽度从1 6 位扩展到3 2 位、总线 频率从8 m h z 提高到1 6 m h 孔 m c a 总线 哈尔滨工程大学硕士学位论文 m c a ( m i c r oc h a n n e l a r c h i t e c t u r e 即微通道总线结构) 是m m 公司专为 其p s 尼系统( 使用各种i n t e l 处理器芯片的个人计算机系统) 开发的总线结 构。该总线的总线宽度是3 2 位，最高总线频率为l o 姗z 。 s a 总线 v e s a ( v i d e oe l e c t r o n i c ss t a n d a r da s s o c i a t i o n 即视频电子标准协会) 是 v e s a 组织( 1 9 9 2 年由i b m 、c o m p a q 等发起，有1 2 0 多家公司参加) 按局 部总线的标准设计的一种开放性总线。v e s a 总线的总线宽度是3 2 位，最高 总线频率为3 3 m h z 。 p c i 总线 p c i ( p e r i p h e r a l c o m p o n e n t i n t e r c o n n e c t 即连接外部设备的计算机内部总 线) 是美国s i g ( s p e c i a li n t e r e s tg r o u po f a s s o c i a t i o nf o rc o m p u t e rm a c h i n e r y 即美国计算机协会专业集团) 集团推出的新一代“位总线。p c i 局部总线是 一种高性能的局部总线，有严格的规范保证其可靠性和兼容性。它的数据宽 度为3 2 位，也可升级至“位，总线频率为3 3 z ，传输速率达1 3 2 m b s ， 升级后可达2 6 4 m b s ，具有很强的数据处理能力。而且p c i 还支持一种名为 线性突发的数据传送模式，可确保总线不断满载数据，减少无谓的寻址操作。 p c i 总线还支持并发工作，使c p u 与p c i 总线上的外设同步工作，提高了数 据吞吐量。此外，p c i 总线支持即插即用，能实现p c i 扩展卡的自动配置， 毋需在安装扩展卡时人为调整跨接线、d i p 开关或系统中断，而由软件自动 设定。由于这些优点，使p c i 总线己成为现行的工业标准。 a g p 总线 a g p ( a c c e l e r a t e d g r a p h i c s p o r t ) 即高速图形接口。专用于连接主板上的 控制芯片和a g p 显示适配卡，为提高视频带宽而设计的总线规范，目前大多 数主板均有提供。 u s b 总线 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s 即通用串行总线) 是一种简单实用的计算机外 部设备接口标准，目前大多数主板均有提供。 n g i o 总线 n g i o ( n e x tg e n e r a t i o ni n p u t o u t p u t ) 总线是i n t e l 公司推出的下一代f o 总线结构。与其它总线结构有所区别，n g i o 总线结构采用的是与传统共享 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 总线不同的交换机制。 f u t u r e i 0 总线 f u t u r ei o ( 将来的输入输出总线) 总线结构是与n g i o 相竞争的另一种 总线，目前仍处在i b m 、c o m p a q 、i l l 等公司的研制开发中，据称其数据传 输率可达1 0 g b s 。 2 2 数据采集与存储系统的p c i 总线技术 在以p c 机为平台的数据采集与存储系统设计中圆，首先需要确定的是数 据采集与存储系统采用的总线类型。所选的总线要满足以下基本条件： ( 1 ) 数据传输率要高，这样才可能满足高分辨率、大容量数据传输。 ( 2 ) c p u 占用率要小，尽量为数据处理工作节约资源。 ( 3 ) 接口时序简单、可靠或有高性能的接口芯片简化系统设计。 基于上述要求，通过上一节的介绍，比较各种总线的综合性能，p c i 总 线的性能最佳，是一种高性能的总线结构，拥有许多近乎完美的特性。在本 数据采集与存储系统的设计中，就选用p c i 总线作为数据传输总线。 2 3 p c i 总线特点 1 高性能“ 总线宽度3 2 位，可升级到6 4 位； 支持突发工作方式，提高了传输速度； 低随机访问延迟； 处理器内存子系统能力完全一致； 总线的同步时钟可达到3 3 姗z ； 隐含的中央仲裁器。 2 低成本 采用最优化的芯片，标准的a s i c 技术和其他处理技术相结合； 多路复用体系结构减少了管脚数和p c i 部件； 基于i s a 、e i s a 、m c a 的p c i 扩展板，减少了用户的开发成本。 3 使用方便 对p c i 扩展卡及元件，能够自动配置，实现设备的即插即用。 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 4 寿命长 处理器独立，不依赖任何c p u ，支持多种处理器及将来待开发的更 高性能处理器； 支持6 4 位地址； 5 v 和3 3 v 信号环境己规范化，工业上从5 v 到3 3 v 己完成平滑过 渡。 5 可靠性高 标准中考虑了负载容限，即使扩展卡超过了负荷的最大值，系统也 能正常工作； 3 2 位，6 4 位扩展板和部件兼容。 6 灵活 多主控器允许任何p c i 主设备和从设备之间进行点对点访问； 共享槽口即可以插标准的i s a 、e i s a 、m c a 板，也可以插p c i 扩展 板。 7 数据完整 p c i 提供的数据和地址奇偶校验功能，保证数据完整性和准确性。 2 4 p c i 总线规范 2 4 1 概述 在一个p c i 系统中可以做到：高速外部设备和低速外部设备共存，p c i 总线与i s a e i s a 总线并存川。处理机、存储器子系统经过一个p c i 桥连接到 p c i 总线上。此桥提供了一个低延迟的访问通路，从而使处理器能够直接访 问通过它映射于存储器空间或i o 空间的p c i 设备；也提供了能使p c i 主设 备直接访问主存的高速通路；该桥也能提供数据缓冲功能，以使c p u 与p c ! 总线上的设备并行工作而不必相互等待；另外，桥可使p c i 总线的操作与c p u 总线分开，以免相互影响。总之，桥实现了p c i 总线的全部驱动控制。 p c i 局部总线不仅可应用到低档至高档的台式系统上，而且也可应用在 便携机乃至服务器的范围中。对于便携机应用要求3 3 v 电源的同时，台式机 应用也迫切要求由5 v 电源改为3 3 v 电源，这必须在标准中予以考虑。因此， 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 p c i 局部总线规范中明确指定了两种电源电压，并说明了相应的转变途径。 即为此定义了两种插接卡连接器：一种是5 v 信号环境，一种是3 3 v 环境； 同时为这两种信号环境规定了三种插接卡电气类型，分别是5 v 卡、3 3 v 卡 和通用卡，其中通用卡是实现5 v 到3 3 v 过渡时使用的。 p c i 总线元件和插件接口与处理机是相互独立的，这样有助于将其应用 到新型处理机上去，并适合于多种处理机体系结构的要求。同时，可使p c i 局部总线根据需求而优化，总线的操作与处理机存储器子系统并行工作，以 及适应图形、运动图像、l a n 、s c s i 、f d d i 和硬盘驱动器等多种高性能外 部设备。为了适应诸如高清晰度电视( 玎) t v ) 和三维显示等视频和多媒体 显示的发展，以及高带宽i o 对局部总线带宽的进一步要求，p c i 局部总线 定义了可对3 2 位数据地址总线进行6 4 位扩展，并提供了3 2 位及6 4 位p c i 局部总线设备的向前和向后的兼容性。 p c i 的自动配置功能使其应用更为方便，由于该总线标准为其元件及插 件分配了相应的配置寄存器，对于一个系统只要有嵌入的自动配置软件，就 可以在加电时自动配置p c i 总线上的设备，并为用户提供了很大的方便。 2 4 2p c i 总线信号 在一个p c i 应用系统中，如果某设备取得了总线控制权，就称其为“主设 备”；而被主设备选中以进行通信的设备称为“从设备”或“目标设备”。对于相 应的接口信号线，通常分为必备的和可选的两大类。如果只作为目标的设备， 至少需要4 7 条，若作为主设各则需要4 9 条。利用这些信号线便可处理数据、 地址、实现接口控制、仲裁及系统功能。 p c i 总线的信号有各自不同的定义。在信号名字末尾的撑标识表示该信号 低电平有效，无撑标识的信号高电平有效；i n 表示输入，是标准的只作输入 信号：o u t 表示输出，是标准的输出驱动信号；t s 时表示双向的三态输入 输出信号；s ，r ，s 时表示持续的并且低电平有效的三态信号。在某一时刻只能 属于一个主设备并被其驱动。这种信号从有效变为悬空( 高阻状态) 之前必 须保证使其具有至少一个时钟周期的高电平状态。每个管脚的信号定义如下； 1 系统信号 c l ki n ：时钟信号为所有p c i 传输提供时序，而且对所有p c i 设备是输 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 入信号，除了r s t # 、i n t a # 、n t b 群、i n t c # 、i n t d # ，所有p c i 信号都是 在时钟上升沿有效，所有其它时间参数定义都与这个边沿有关。一般情况下， p c i 操作达到3 3 m ，最低频率是直流( o h z ) 。 r s t # i n ：复位信号，被用来使p c i 特殊寄存器、定序器和信号恢复初 始状态。复位时，所有p c i 输出信号一般必须是三态的。s e r r # 是悬空的， 如果输出设备被提供三态的话，r e q # 和g n t # 必须皆为t s 状态( 复位时它 们不能为高电平或低电平) ，在复位期间，a d 、c b e # 和p a r 信号是悬浮的。 r s t # 可以和c l k 不同步。尽管不同步，仍然可以清除配置访问，当设 备请求引导系统时将响应“r e s e t ，复位后将响应系统引导。 2 地址和数据引脚 a d 3 1 ：0 0 】t s ：地址和数据共用引脚。p c i 支持猝发读写功能，在 f r a m e # 有效周期，总线传输包含了一个地址信号，接着是一个或多个数据 信号。a d 3 1 ：0 0 1 是一个3 2 位的物理地址，i 0 地址仅需1 个字节( 8 位) ， 配置空间地址和内存空间地址需要双字节( 1 6 位) 。在数据节拍期闯，数据 宽度是可变的，可以是1 个字节或4 个字节( 3 2 位) ，这由字节有效信号指 明。i r d y # 支持写数据状态，在i r d y # 和t r d y # 同时有效时，数据传输开 始。 c b e 3 ：0 1 # t s ：总线命令和字节有效共用管脚。在传送地址节拍期间， c b e 3 ：0 # 定义总线命令，在数据节拍期间，c b e 3 ：0 # 被用做字节有效。 3 接口控制引脚 f r a m e # s t s ：在访问开始和持续期间，帧周期是由当前主设备直接驱 动，在f l 啪群有效预示总线传输的开始。当f r a m e # 失效，传输的是最后 一个数据节拍。 i r d y # s t s ：主设备准备好信号，它预示初始化“单元”( 总线控制器单 元) 来完成当前数据节拍的传送，i r d y # 和n y 撑联用。珉d y # 和t r d y # 同时有效时，数据节拍在任何周期内完整传输。在一个写周期，i r d y # 指出 数据变量是存在于a d 3 1 ：0 0 。在一个读周期，它指示主控制器准备接收数 据。插入等待脉冲直至1 滞和y # 一起有效。 t r d y # s f i i s ：从设备准备好信号，它预示从设备( 可选驱动器设备) 准备完成当前数据节拍的传输。t r d y # 和i r d y # 同时有效时，数据节拍可在 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 任何周期内完整的传输。在读周期，t r d y # 指示出数据变量存在于 a d 3 1 ：0 0 】，在写周期，它指出从设备准备接收数据，插入等待脉冲直至 i r d y # 和t r d y # 一起有效。 s t o p # s 门s ；s t o p 群指出当前从设备正在要求主设备停止当前数据传 送。 i d s e l # s t s ：设备选择，当驱动d e v s e l # 时，指出有地址译码器的设 备作为当前访问设备。作为输入信号，d e v s e l # 显示出总线上某处任一设备 被选择。 4 仲裁管脚 r e q # t s t 请求信号，指出“单元”对总线占用的请求，这是个点对点信 号，任何主控器都有它自己的r e q # 信号。 g n t # t s , 允许信号，指出对总线请求的“单元”已被响应，这是个点对 点信号，任何主设备都有自己的g n 硼信号。 5 出错报告引脚 p e r i l # s 厂r s ：除了特殊序列外，在所有p c i 传输中，奇偶校验错误信 号只报告数据奇偶校检错。当发现数据奇偶校检错时，应在数据收到后的两 个时钟周期内将其激活。 s e r r # o ，d ：系统错误信号是报告地址奇偶错，特殊命令序列中的数据 奇偶错误，或引起大的灾难的任何其它系统错误。 6 中断引脚 p c i 中断信号是可操作的，定义为低电平有效，开关输出驱动。i n t x # 信号与时钟不同步，p c i 定义一个中断向量对应一个信号设备，4 个以上中断 向量对应一个多功能设备或连接器，对于单一功能的设备，只有矾1 础可以 用，其它三个中断向量没有意义。 2 5 p c i 总线操作 2 5 1p c i 总线命令编码 总线命令的作用是用来规定主、从设备之问的传输类型，它出现于地址 期的c b e 3 ：0 # 线上。这里的主设备是指通过仲裁而获得总线控制权的设备； 哈尔滨工程大学硕士学位论文 从设备是指在c b e 3 ：0 # l - i 出现命令的同时，被a d 3 1 ：0 0 线上的地址所选 中的设备。 表2 1 给出了总线命令的编码及类型说明。其中，命令编码中的“l ”表示 高电平，o ，表示低电平。 表2 1 总线命令表 c b e 3 ：0 # 命令类型说明 0 0 0 0 中断应答( 中断识别) 0 0 0 l 特殊周期 0 0 1 0 i 0 读( 从i 0 口地址中读数据) 0 0 1 1 i 0 写( 向i 0 地址空间写数据) 0 1 0 0 保留 0 1 0 1 保留 o l l 0 存储器读( 从内存空间映像中读数) 0 1 1 1 存储器写( 向内存空问映像写数据) 1 0 0 0保留 1 0 0 l 保留 1 0 1 0配置读 1 0 1 1配置写 1 1 0 0 存储器多行读 1 1 0 1 双地址周期 l l l 0 存储器一行读 1 1 l i 存储器写并无效 1 中断应答命令 中断应答命令是一个读命令，并且对中断控制器的寻址采用隐含方式， 也就是说，该地址是逻辑地址而不明显地出现于地址期，回送的中断矢量的 长度由字节使能信号来表示。 2 特殊周期命令 特殊周期命令不包含目标地址，而是以广播的形式发给所有设备。每个 接收设备必须自我确定广播的消息是否合适于它。在特殊周期命令期，不允 哈尔滨工程大学硕士学位论文 许p c i 设备发出d e v s e l # 信号。也就是说，此类对话不需要目标设备的应 答，同时负译码的桥也不能将特殊周期命令传到它的下级总线上，更不能跨 桥传播特殊周期命令。 特殊周期命令的完成最快也要五个时钟周期，同时还要附加一个时钟周 期作为下一个访问开始之前的过渡周期。 3 f o 读命令 该命令用来从一个映射到i o 地址空间的设备中读取数据。a d 3 1 ：0 0 上提供一个字节地址，全部3 2 位必须完全译码，而字节使能信号表示传送数 据的多少，必须与字节地址一致。 4 保留命令 该类编码是为将来的用途而保留的。p c i 的任何设备都不能将它们挪作 它用，任何设备也不允许对保留命令编码做出反应。如果接口中使用了一条 保留命令，通常要由主设备终止操作来结束本次访问。 5 。l 写命令 该命令用来向一个映射到i o 地址空间的设备写入数据。全部3 2 位地址 必须参加译码，字节使能信号表示数据长度，且必须和字节地址一致。 6 存储器读命令 该命令用来从一个映射到存储器地址空间的设备读取数据。如果能保证 无副作用产生时，从设备可以为该命令进行预先读取。另外，目标设备也要 保证在本次p c i 传输之后保存于临时缓冲器中的数据的一致性( 包括数据次 序) 。这个缓冲器在任何同步事件( 如更新i o 状态寄存器或存储器标志) 通 过此访问通路之前必须被置为无效。 7 存储器写命令 该命令用来向一个映射到存储器空间的设备写入数据。当从设备发出准 备好 f 言号后；它已经准备对所涉及的数据的一致性( 包括次序) 负责。因此， 对于该命令的实现可采用完全同步的方式，或采用其它方法。但应保证在任 何同步事件通过该访问路径之前使数据缓冲器被冲洗。也就是说，主设备在 使用了该命令之后可以立即创造出一个同步事件。 8 配置读命令 该命令用来从每个设备的配置空间读取数据。如果一个设备的m s e l 引 哈尔滨工程大学硕士学位论文 一1 1 _ 一 脚有效，且a d i ：0 1 = 0 0 时，那么该设备即被选定为配置读命令的目标。在 一个配置命令的地址期内，a d 【7 ：2 】用于从每个设备的配置空间中的6 4 个双 字寄存器中选出一个。a d 3 1 ：1 1 无意义，a d 1 0 ：s 表示一个多功能设备的 哪个功能设备被选中。 9 配置写命令 该命令用来向每个设备的配置空间写入数据。一个设备被选中的条件是： 它的i d s e l 信号有效并且a d i ：0 = 0 0 。其余和配置读命令相同。 l o 存储器多行读命令 该命令的作用是试图在主设备断开之前预读取多行c a c h e 数据。该命令 用于大块连续数据的传输，可以通过控制读取c a c h e 的行数，使存储器系统 的某些性能得到改善。 1 1 双地址周期( d a c ) 命令 该命令用于给支持“位寻址的设备发送6 4 位地址。对于只有3 2 位寻址 能力的设备，只能把它当作保留命令。 1 2 存储器一行读命令 与存储器读命令基本相同，还可表示主设备试图完成多于两个3 2 位的 p c i 数据期。 1 3 存储器写并无效命令 该命令在语义上与存储器写相同，不同的是主设备要在一次p c i 传输中 将寻址的c a c h e 行的每个字节都写入。该命令同时要求主设备的配置寄存器 指出c a c h e 行的尺寸。 2 5 2p c i 总线的传输协议 p c i 总线上所有的数据传输基本上都是由以下三条信号线控制的： f r a m e # = 由主设备驱动，指明一个数据传输的起始和结束； i r d y # ：由主设备驱动，允许插入等待周期； t r d y # ：由从设备驱动，允许插入等待周期。 当数据有效时，数据资源需要无条件设置x r d w 信号( 写操作为i r d y # 读操作为t r d y # ) 。接收方可以在适当的时间发出它的x r d y # 信号。 f r a m e # 信号有效后的第一个时钟前沿是地址期的开始，此时传送地址信息 哈尔滨工程大学硕士学位论文 | 一i i 和总线命令。下一个时钟前沿开始一个( 多个) 数据期，每逢i r d y # 和n y # 同时有效时，所对应的时钟前沿就使数据在主、从设备之间传送，在此期间， 可由主设备或从设备分别利用i r d y # 和t r d y # 的无效而插入等待周期。 一旦主设备设置了i r d y # 信号，将不能改变i r d y # 和f 黜她群，直到 当前的数据期完成为止。而一个从设备一旦设置了t r d y # 信号或s t o p # ， 就不能改变d e v s e l # 、t r d y 静或s t o p # ，直到当前的数据期完成。也就是 说，不管是主设备还是从设备，只要承诺了的数据传输，就必须进行到底。 当到最后一次数据传输时( 有时紧接地址期之后) 主设备应撤销f r a m e # 信号，而建立i r d y # 信号，表明主设备己做好了最后一次数据传输的准备， 待到从设备发出t r d y # 信号后，就说明最后一次数据传输已完成，f r a m e # 和i r d y # 信号均撤销，接口回到了空闲状态。总之，p c i 总线的传输一般遵 循如下管理规则： ( 1 ) 珊o d 山伍拌和i r d w 定义了总线的忙闲状态。当其中一个有效时， 总线是忙的；两个都无效时，总线处于空闲状态； ( 2 ) 一旦f r a m e # 信号被置为无效，在同一传输期间不能重新设置； ( 3 ) 除非设置i r d w 信号，一般情况下不能设置f w e # 信号无效； ( 4 ) 一旦主设备设置了i r d y # 信号，直到当前数据期结束为止，主设 备不能改变i r d y # 信号和f r a m e # 信号的状态。 p c i 总线定义了三个物理地址空间：内存地址空间、i o 地址空间和配置 地址空间。前两个是通常都有的，第三个用以支持p c i 的硬件配置。 1 i ，o 地址空间 在i o 地址空间，全部3 2 位a d 线都被用来提供一个完整的地址编码( 字 节地址) ，这使得要求地址精确到字节水平的设备不需要多等一个周期就可完 成地址译码( 产生d e v s e 脒信号) ，也使负的地址译码节省了一个时钟周期。 在i o 访问中，a d 【l ：o 】两位很重要，它一方面用来产生d e v s e l # 信号，更 值得注意的是它也表示传输涉及的最低有效字节，并且要与c b e 3 ：0 # 相配 合。例如，当c a e o # 有效时，那么a o 1 ：o 】必须为“0 0 ；当c r e e l 3 # 有效 时，那么a o 1 ：0 1 就应当为“l l ”。在具体访问中，每当一个从设备被地址译 码选中后，便要检查字节使能信号是否与a d 【1 ：0 】相符，如果二者矛盾，则 整个访问就无法完成，此时，从设备不传送任何数据，而是以一个“目标终止” 哈尔滨工程大学硕士学位论文 操作来结束访问。表2 2 给出了a d 【1 ：o 】和c b e 3 ：0 # 的对应关系。其中1 表示高电平，0 表示低电平，x 表示0 或1 。对于任何不同于表2 2 的组合状 态都是非法的。 a d la d 0 c b e 3 #c b e 【2 】# c b e h # c b e 【o 】# o0xxx o o 1xxol 1ox 0ll 0lol 1l 2 内存地址空间 在存储器访问中，所有目标设备都要检查a d 【1 ：0 】，要么提供所要求的 突发传输顺序，或者执行一目标设备断开操作。对于所有支持突发传输的设 备都应能实现线性突发传输顺序。而c a c h e 的行切换不一定必须实现。在存 储器地址空间，要用a d 3 1 ：0 2 译码得到一个双字地址的访问。在线性增长 方式下，每个数据周期过后地址按一个d w o r d ( 4 个字) 增长，直到对话 结束。在存储器访问期间，a d f l ：o 】的含义如下： 当a d i ：0 = 0 0 时，突发传输顺序为线性增长方式；a d i ：0 = 1 0 时，为 c a c h e 行切换方式；a d 【1 ：o l = x l 时，为保留。 3 配置地址空间 在配置的地址空间中，要用a d 【7 ：2 1 将访问落实到一个d w o r d 地址。 当一个设备收到配置命令时，若i d s e i _ , # 信号成立且a d i ：0 = 0 0 ，则该设备 即被选为访问的目标。否则就不参与当前的对话。如果译码出的命令，符合 某桥路的编号，且a d i ：0 = 0 1 ，则说明配置访问时对着该桥后面的设备进行 配置。 2 5 3p c i 总线的传输过程 1 总线读写过程 本节给出的时序图表示总线以3 2 位方式执行有关操作时相应信号之间 的关系，p c i 总线根据不同的命令有不同的操作时序，因此时序的种类很多， 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 在此只对基本的读写时序进行分析，图2 1 是典型的p c i 写操作时序。在c l k 的第一个上升沿( 图中标记为l 处，下同) ，发起设备检查总线是否空闲，因 f r a m f 群和i r d y # 都无效因此总线处于闲置状态。 地址周耩薤据周期 | | 卜+ 4m - - 图2 ip c i 写操作 ； 2 ：3 5；8 ；7。矗口 群蛋d c 工j 豳z = = 工= = i = = = = ：卜= 卜_ i i； i r d y # hl ! 1 1 、；厂r t r d w 。之、：，一i ! ! 广一 o e v 距u j 也守。上l 二。= = 厂 薯兰苎 墨苎苎塑 图2 2 p c i 读操作 在c l k 的第二个上升沿，发起设备发送地址，同时c b e 3 ：0 # 信号线 发送传输命令。紧接着下一个c l k 周期，发送第一个数据，t r d y # 有效， 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表示目标设备顺利接收，在发送完第二个数据后，c l k 的第五个上升沿检测 到i r d y # 无效，说明发起设备还没准备好下一个数据，因此等待一个c l k 周期，c l k 第六个上升沿检测到i r d y # 有效，说明第三个数据已经准备好， 同时也检测到f r a m e # 无效，说明这个数据是本次传输的最后一个数据，但 此时t r d y # 无效，说明目标设备还没准备好接收数据。 2 传输的中止过程 无论是主设备还是从设备都可以提出终止一次p c i 总线传输的要求，但 要求不等于具体实施，也就是说双方均无权力单方面实施传输停止工作，需 要互相配合，不过有一点是肯定的，那就是传输的最终停止控制要由主设备 完成，这是因为传输的结束必须满足系统的要求并且是有次序的，这只有主 设备才能做到。同时，所有传输的结束标志是f r a m e # 信号和i r d y # 信号均 己撤消而进入总线空阂状态。 ( 1 ) 由主设备提出的终止 主设备是通过撤消f r a m e # 信号并建立i r d y # 信号来提出终止请求的， 实际上这样做的目的就是告诉从设备现在己进入了最后的数据期，此后 i r d y 撵一直保持有效直到出现t r d y # 信号，完成最后一个数据的传输，接着 i r d y # 便撤消，从而达到完全终止的条件f r a m e # 和i r d y # 同时无效，结束 传输进入总线空闲状态。 ( 2