（电工理论与新技术专业论文）自动测试系统中pcigpib卡的研制.pdf

丛塑玉盟 w i t l ld e v e l o p m e n to ft c c h n o l o g y m o r c 柚dm o 佗p 髓b l c mo fe l e c t 舳a g n e t i c 阳d j a “佃b 硇a p 萨a r e dj n 删霉f yf j d d c l c c 咖每g n c t j ce n v i r n n m e n tm c 笛u f i n gj s h 啪i n gm o ”卸dm o mi n l p o n a n t h o w c v c f ，e l e 咖m a g n e t i cc i i v i r o 砌e n tm e 硝u r i l l g n e c d sal o to f 劬c h io r d e rt oi m p i u v ct h ee f f i c i e n c y 雅da c c i l r a c yo fm c 删r i i l g ， a u t o m a t i cm e 踟r i n gs y s t 锄o fc l c c t m m 印c t j ca 呦w i t hp a - g p mc a r di n t 曲c cw 勰 d e s i 印c d a u t o m a t e dm e 舔u r i n gs y s t e mo fe l c c t r o m a g n c t i cc n v i r 0 姗e n ti n c l u d 鹤t w 0p a r b ， n a m d yh 缸d w a 咒卸ds o f h a r c t h eh a r d w a 佗c 0 璐i s t so ff r e q u e n c y 柚a l y z e r ，柚t e n m 刚妯i 略细r 姐t e 曲淞，ap c p mi m c r f 妇c a l da n dao m n p u t c r w i t l lm ch c l p0 f p c i g p l ba d a p t c t ，d a t ao 嗍枷n i 髓t i o ni s 陀a l i z c d 姗锄gc o m p u t c r f r e q u e n c y 觚a l y z c r 卸d 柚t e 仰a 跚i t c h i n 眵n e 蜘a mc o n s i s t so f 酾v e rp r o g r a m 柚da p p i i t i 伽 p m g 姗 p c i g p i bi n t e 面c c r d ，d r i v c rp r o 哥帅a n da p p i i c a t i o np r o g 阳m m e ra r em a i n l y d e s 硎b e di nt h i sp a p e lp c l g p i bi n t e r f a c ec a r du s e sp c i 9 0 5 2a st h cp c ii n t e f f a c c ，m o 凹u ) a sd a t at r 柚s m i s s i o na n dg p i bi n t e 吨l c ec o n t r o l l i n g 1 1 l i sc a r dh 舔t w oc h a n n e l s ， o n ei sf o fr c c c i v i n gd a t a 柚dt 重l eo t h c ri sf o r 咖i m l l i n gi n s t n i m 锄t s 1 1 i cm a i nc o d e o fd e v 溉鲥v c ri s d c v e l 叩e db yw i n d f i v c rt o o l l 【i t 卸d e n c a p s u l a t c dw i t hd u b e s i d e s ，k b v l e wj su s c dt od “e l 叩e ds y s t 锄d e s k t 叩w i t h p 0 v e m lf u n d i o n s l a b v l e wi su s c di ni n d u s t 彤f c s e a r c h 柚do t h e rf i e l d s m s o ，m a n yp r o b k m so fe v e r ys e c c i o nt h a tm a yh a p p c ni np r a c t i c a lp r o c e s sh a v c a l s ob e e ne x p i a i n e dd e a d yi nt h i st h e s i s k e yw o r d s ：p c ib u s ；g p l bb u s ；p c i 9 0 5 2 ；w i n d r “e r ；l a b v i e w 致谢 本论文的工作是在我的导师张晓冬教授的悉心指导下完成的，张晓冬教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。张晓冬教授悉心指导 我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助， 在此衷心感谢三年来张晓冬老师对我的关心和指导。 在此还要衷心的感谢宋守信校长，李国国老师，马晓春老师，对于我的科研工 作的帮助。 在实验室工作及撰写论文期间，实验室的所有同学对我论文研究工作给予了 热情帮助，他们也使我的生活变得丰富多彩，在此向他们表达我的感激之情。 此外，在即将走入工作岗位之际，也对在我读书、科研期间曾授予 我知识、给予我帮助的老师和同学们表示感谢! 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 蓥= 重绪论 1 1 课题发展现状 第一章绪论 随着科学技术的迅速发展，自动测试系统( a u t o 舱t e dt e s ts y s t e m ，a t s ) 在 生产和科学实验中都得到了广泛的应用。自动测试系统可以降低测试者的工作强 度，而且便于数据的后期处理和分析。通常一个自动测试系统由控制器( 计算机) ， 可程控的测试仪器、测试软件和接口系统所组成。自动测试系统的发展离不开接 口系统( 如p c i g p i b 卡) 的发展。 早在五十年代自动测试系统开始研制之初，就己经出现了一些自动数据采集 系统。到六十年代其广泛应用，并开始使用计算机进行控制。当时的自动测试系 统称为专用测试系统，这种系统的主要特点是接口不通用，编程格式不统一，因 而更换专用测试系统上的任何一台仪器，必须为其设计并配置适合本测试系统的 接口。在一套自动测试系统中运行良好的测试程序，在另一套自动测试系统上可 能根本无法运行。六十年代术，美国h p 公司设计了一种新型的接口系统，并生产 了与之相应的专用计算机。新的接口系统的特点是把接口卡箱装在专用的计算机 内，接口卡的设计与该公司生产的一些主要的可程控仪器帽适应，在组成一个新 的自动测试系统时，只要更换程控仪器的接口卡，或者在接口卡上更改几个跳线 就可工作，而不必做大量的或全面的改动。这种接口系统比初期的接口系统有了 较好的灵活性和适应性。然而，这种接口系统仍具有相当人的专用性，它只能使 用该公司的专用计算机和部分程控仪器。此外，这种接口卡与程控仪器之日j 的连 线相当多，比较复杂。七十年代初由于生产及技术的迅猛发展，对于自动测试系 统人们希望有一种适合于自动测试系统的统一通用的通信协议标准，其最终目标 是：世界各国都按同一标准柬设计可程控仪器的接口电路，将任何工厂生产的任何 种类、任何型号的仪器用一条无源标准线缆连接起来，并通过一个与计算机相适 应的接口与计算机连接，以组成随意的自动测试系统。如果计算机内也装有按该 标准设计的接口，那么，无源标准母线电缆可以直接与计算机连结，系统的组建 就更加简单方便。经过大约八年的研究，美国h p 公司于1 9 7 2 年发表了一种标准接 口系统，经过改进，于1 9 7 4 年命名为h p - i b 接口系统，并随之产生了第二代自动测 试系统又称为积木化自动测试系统。由于它有一系列比较突出的优点，并得到了 i e e e 和i e c 等组织的承认，并分别定为i e e e 一4 8 8 和i e c 6 2 5 标准。美国国家标准化 i t 塞窑蕴厶堂亟堂位监塞 学会a n s i 也将这种接口系统定为a n s i mc 1 卜1 9 7 5 标准。此系统即为一般所称的 g p i b 总线系统，也称为h p i b 或i e c i b ，中文称为通用接口总线标准。 自动测试系统的发展中，8 0 年代初中期主要使用控者计算机充当自动测试系 统中的控者来控制整个自动测试系统工作。如h p 9 9 1 4 ，m z - 8 0 b ，h p 9 8 2 5 ，s i m e n s 8 8 0 1 0 都属于这类控制器。8 0 年代中后期由于p c 机及其兼容机的大量普及应用，部 分仪器生产厂家开始生产i e e e 4 8 8 卡，将该卡置于p c 机中，即可方便地构造出一台 控者计算机，因而该种p c 机式控制器为自动测试技术迸一步普及应用奠定了基础。 近年来，自动测试系统在软件方面发展较快。不论在系统控制器的设计方法上还 是在控制器编程的高级语言应用上，都与传统的方法发生了较大的变化。目前p c i 总线技术已经成为计算机的主要总线技术。g p i b 总线接口也己逐步出现在国产的 仪器、仪表及测控系统中并己成为与计算机互连的主流并行总线的趋势。因而， 自动测试系统中的接口系统主要为p c i 总线到g p i b 总线的接口系统 1 2 课题出发点 自动测试显然优于人工测试，所以，只要在条件许可的场合，都应考虑组建 自动测试系统。 本课题主要将基于p c i g p i b 卡的自动测试系统用于电磁环境测试方面。随着 电磁环境的复杂和恶化及人们环保意识的提高，国家加大了对电磁辐射数据采集 的力度，而且由电磁辐射引起的纠纷也越来越多，通过电磁环境测试来解决由于 电磁辐射引起的纠纷也是一种有效的手段，电磁环境测试已经被广泛的应用于各 种场合”。 要组成自动测试系统，就要完成测试仪器与计算机之间的通信。由于大多测 试仪器都带有g p i b 接口，面p c i 总线为计算机接口中最主要的总线技术，这就需要 研制p c l 一g p i b 卡来实现测试仪器与计算机之间的通信。 1 3 课题简述 自动测试系统可以自由地组合计算机平台，硬件、软件、以及各种完成应用 系统所需要的附件，完成数据采集、对采集的数据进行分析处理、显示处理结果 的功能。并且软件可以根据需要随时进行升级、改写以适应不同的需要，具有极 强的灵活性。 2 簋二重绪诠 一般来说，完整的自动测试系统由三部分来组成，应用层软件，底层软件， 硬件部分。如图卜1 所示。自动测试系统就是把测试仪器采集到的数据实时传送到 计算机上，实现对采集到的数据保存和处理，并且可以通过计算机来控制测试仪 器。用于电磁环境测试的自动测试系统包括硬件和软件两部分。硬件由频谱分析 仪u 3 6 4 1 ，天线切换器b i r 姗，四副天线3 3 0 3 、3 1 1 5 、3 1 0 9 p 、3 1 4 8 ，p c i g p i b 接口 卡，计算机等组成。借助于p c i 书p i b 接口卡，实现了计算机与频谱分析仪、天线 切换器之间的数据通信。电磁环境自动测试软件控制仪器自动完成电磁环境的测 试在程序的控制下，天线切换器完成4 副天线的自动切换，频谱分析仪完成电磁 环境辐射强度的自动采集。测试的数据经过计算枫处理后，存到数据库作为历史 记录，根据历史记录可以做出电磁环境辐射场强随时间变化和电磁环境辐射场强 随频率变化等曲线图。 图卜1 系统结构框图 甄蚪r e l - ls y s l c mb l o c kd 啦乒锄 e 塞窑煎厶堂亟茎焦丝塞 系统硬件构成如图卜2 所示。天线切换器和频谱分析仪的g p i b 接口通过电缆 级连的方式汇入带有p c i _ g p i b 接口卡的计算机，计算机通过程序控制这几种仪器 的操作方式，并且从仪器中读取数据1 3 i 口 仁 天 一测量接收机 线 i 碰卜 亡 切 上 il 仁 换 刊。瓣，h 打蝴 仁 器 图卜2 自动测试系统硬件框图 f i g ml 2 a u t t e d 协ts y s i e mh a r d w a r eb k kd i a g r a m 在本设计中，借助于p c i g p i b 接口卡，实现了计算机与频谱分析仪、天线切 换器之间的数据通信。电磁环境自动测试软件控制仪器自动完成电磁环境的测试。 在程序的控制下，天线切换器完成4 副天线的自动切换，频谱分析仪完成电磁环 境辐射强度的自动采集。 1 4 课题主要任务 本课题主要完成两个任务： 1 p c i g p i b 卡的研制。 p c i 总线有很多优势，因而这几年得到长足的发展，基于p c i 总线的设备开发 技术也日渐成熟。p c i 总线传输速度快，3 2 位标准p c i 协议规定的传输速度可以 达到1 3 2 她s ，而根据扩展的p c i 协议，p c i 可以扩展到6 4 位，而时钟则可以增 加到6 6 m ，这样传输速度又可以提高四倍，高达5 2 酬b s 。并且，p c i 总线具有即 插即用特性，操作系统在启动的时候，能检查到挂接在系统上的每一个p c i 设备， 并能够自动给每个设备分配地址，中断号和i d 号等系统资源，这样所有设备的系 统资源就不会产生冲突。而且，操作系统能够识别出设备的i d 号并给设备加载相 应的驱动程序，给每个设备4 g b 的虚拟地址空间。所有对设备物理地址的访问都 被禁止，对设备的访问需要通过虚拟机间接进行。这种访问模式使系统更加健壮， 不会因为某一个设备的不正常工作而挂死。 同样，g p i b 总线现在依然有很强的生命力。g p i b 虽然己经有了很长的历史， 但是这种测量总线方便易用，组建自动侧试系统方便，而且费用低廉。虽然目前 常用的测试仪器总线接口还有r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 ，v x i 等但是，r s 2 3 2 串行总线速度 4 簋= 重鳖论 较慢，抗干扰能力低， r s 4 8 5 虽然可以弥补r s 2 3 2 的不足，却有芯片功耗较大， 实时性较差等缺点，虽然近来出现了v x i 等更加快速先进的测试总线，但他们大 多昂贵而又麻烦。所以，g p i b 总线在使用台式机组建测试系统的时候有不可替代 的作用。此外，在很多对测试速度不要求很高，测试仪器的体积不作要求的情况 下，g p i b 总线也有相当的优势。 组建基于g p i b 总线的自动测试系统，其核心是g p i b 控制机。g p i b 控制机的 最简单的实现方法是在一台p c 机上挂接一个g p i b 控制器，并辅以相应的驱动软 件和控制软件。这样就存在g p i b 控制器和p c 机的接口问题。现在市场上有基于 各种总线的g p t b 控制器，如u s b 、i s a 以及删c i a 等。这些控制器除了基于i s a 的控制器中国有产家生产外，其它种类的均被国外的厂商垄断。而基于i s a 的控 制器已经跟不上发展的需要，所以设计基于p c i 的g p i b 控制器是发展国产自动测 试技术的必要任务。 p 1 c i g p i b 卡从本质上说就是一个接口协议转换器，实现的功能是从p c i 协议 到g p i b 协议的转换。用户给计算机输入一定的命令，计算机的操作系统便会通过 驱动程序向挂接在g p i b 总线上的控制器发起一个相应的数据交易。控制器则把交 易中所得到的数据转换成一个个符合g p i b 协议的控制信号和数据信号，这样用户 就可以通过对计算机的操作来控制挂接在g p i b 总线上的各个测试仪器。 由以上的描述，可以看出p c i g p i b 卡的设计重点主要集中在两个方面：p c i 接 口逻辑的实现和g p i b 接口协议( i e e e 4 8 8 ) 的实现。本人所负责的工作是设计 p c i g p i b 卡的硬件部分及其底层驱动程序的开发。 2 电磁环境自动测试应用软件的设计。这一部分主要完成人机交互界面，完 成对频谱分析仪、天线切换器的控制和数据的采集。测试的数据经过计算机处理 后，存到数据库作为历史记录。 1 5 设计特点 1 p c i _ g p i b 卡的研制 传统的p c i _ g p i b 卡的设计往往采用专用p c i 、g p i b 接口芯片来实现协议日j 的 转换。本设计采用一片c p l d 来实现g p i b 接口的控制，这种设计缩减了设计成本， 提高了板卡的可靠性。此设计将在第四章详细介绍。 2 电磁环境自动测试应用软件的设计 电磁环境自动测试应用软件的设计采用l a b v i e w 。之所以在这单选用l a b v i e w 进行开发是由于它具有强大的数据采集和处理功能，编程效率高。即使有无法完 j j 塞窑适太堂亟堂僮逾变 成的功能，也仍就能够通过外部接口调用其他语言来完成。 1 6 本论文的章节安排 本课题重点介绍了p c i g p i b 卡的设计和电磁环境自动测试系统应用程序的开 发。 第二章简单介绍了p c i 总线，并具体的介绍了p c i 接口芯片p c l 9 0 5 2 。 第三章介绍了g p i b 协议以及g p i b 的i p 核的编制。本设计采用的c p l d 芯片 是来完成g p i b 协议的转换。 第四章描述了本p c i g p i b 卡的硬件设计。 第五章介绍了p c i _ g p i b 卡驱动的研制。 第六章主要介绍了电磁环境自动测试应用程序( 人机交互界面) 的实现。 6 筮三重垡基线楚金星g 接旦垄发! 盟2 第二章p c i 总线简介及p c i 接口芯片p c l 9 0 5 2 2 1p c i 总线简介 p c i 的全称是外设部件互连( p e r i p h e r a lc 伽p o n e n ti n t e r c o n n e c t ) 。p c i 总 线以其独特优越的性能成为当今微机接口中主要的、也是最为成功的总线技术。 图2 一l 是p c i 系统结构框图，表明了p c i 、扩展、处理器和存储器之间的关系。微 处理器、c a c h e 、和主存储器d r 心通过p c i 桥接器连到p c i 总线上。而所有其他的外 部设备，如高速的s c s i 设备、视频设备和低速的音频设备都是挂到p c i 总线上的， 这些设备都能彼此互不影响地并行工作。 m 总线 甲甲 譬i 仁k 辛 膨跫一一 l 1 卤卤圆回 卤 匦 i 苎塑卜 局部总线 m 菔线 叫l 存储舔 m 捕橹 岖赫- j _ 图2 一lp c i 系统结构图 f i 鲫2 - l p a s y s t e m d 啦，a m 碰裘l j e 塞窑煎盔堂亟堂僮监塞 2 1 1p c i 总线特点 p c i 总线是先进的高性能局部总线，可同时支持多组外围设备。p c i 局部总线 不受制于处理器，为中央处理器及高速外围设备提供一座桥梁，更可作为总线之 间的交通指挥员，提高数据吞吐量。归纳起来，p c i 总线具有以下特点： 1 高性能 p c i 总线宽度为3 2 位，必要时可升级到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；总线的同步工作频率 可达3 3 删z ；具有隐含的中央仲裁器。 2 低成本 p c i 系统采用了标准的a s i c 技术和其他处理技术相结合，可使芯片最优化；多 路复用体系结构减少了管脚数和p c i 部件；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，实现了设备的即插即用。 4 寿命长 p c i 处理器独立，不依赖c p u ，可支持多种处理器及将来待开发的更高性能处 理器；5 v 和3 3 v 信号环境已规范化，并在工业上完成从5 v 到3 3 v 的过渡；扩展板 尺寸较小。 5 可靠性高 标准中考虑了负载容量，即使扩展卡超过了负载的最大值，系统也可正常工 作；支持3 2 位、6 4 位扩展板；在局部总线的部件满足负载的频率要求的情况下， 可以提高附加卡的可靠性的可操作性。 6 。灵活 多主控制器允许任何p c i 主设备和从设备之间进行点对点访问。 7 数据完整 p c i 提供的数据和地址奇偶校验功能，保证了数据的完整性准确性。 8 软件兼容 p c i 部件和驱动程序可以在不同平台上运行。 2 1 2p c i 总线信号 p c i 总线信号可按系统、地址和数据、接口控制、仲裁、错误报告、中断接口 和6 4 位扩展等七类进行定义和划分，主要信号说明如下。 8 筮三重g 总线煎金厘墅撞旦荃垃q ! 照2 1 系统信号 c l ki n 雌舶1 ：p c i 系统总线时钟。该时钟信号用于所有p c i 设备同步，系统中所 有信号都以它为基准，该信号的频率也称为总线的工作频率。 r s 豫i n ：系统复位信号。该信号用于复位总线上的接口逻辑，或设置p c i 特 性寄存器以及有关信号到指定的状态。在它的作用下，p c i 总线的所有输出信号处 于高阻状态。 2 地址和数据信号 a d 3 1 ：0 t s ：地址数据多路复用信号。当f r a 忱# 有效时，表示地址节拍开 始，该组信号上传递的是3 2 位物理地址。在数据节拍，该组信号上传送数据信号。 c b e 3 ：o 】 t s ：总线命令字节使能信号。在地址节拍c b e 3 ：o # 传送p c i 总线命令，在数据节拍传送字节允许信号。 3 接口控制信号 f r a m e # s t s ：帧周期信号。由主设备驱动，表示一个总线周期的开始和结 束。当该信号有效，表示开始总线传输操作，a d 3 l ：0 和c b e 3 ：0 上传送的是有 效地址和命令。在整个总线周期内，f r a m e # 一直保持有效。当f r a m e 变为高电平， 表示进入最后一个数据节拍，本次总线操作结束。 i r d y = is t s ：主设备准备好信号。由主设备驱动。它与t r d y # 同时有效可完 成数据传输。在写周期，i r d y # 表示a d 3 l ：o 上数据有效：在读周期，该信号表示 主控设备已经准备好接收数据。 t r d y 辞s t s ：从设备准备好信号。由从设备驱动。当该信号有效，表示从设 备准备好传送数据。在写周期，表示从设备准备好接收数据；在读周期，表示 a d 3 1 ：0 上数据有效。 d e v s e l # s t s ：设备选择信号。由从设备驱动。 i d s e l # i n ：初始化设备选择信号。在配置读写操作阶段，用于芯片的选择。 4 伸裁信号 r e o # t s ：总线占用请求信号。由希望成为总线主控设备的设备驱动。它是 一个点对点信号，并且每一个主控设备都有自己的r e q # 。想成为主控设备的p c i 设 备必须向主桥申请，得到主桥仲裁器的允许后，才能成为主设备。 g n t # t s ：总线占用允许信号。当该信号有效时表示总线请求被响应。它也 是一个点对点信号，并且每一个主控设备都有自己的g n t # 【矾。 9 j e 塞窑墟太堂亟堂位论塞 2 1 3p c i 总线命令 p c i 总线命令是用来规定主从设备之间的传输类型的，只能由已获取p c i 总线 拥有权的主桥或其他主设备发出，从设备是总线命令的执行者。总线命令由总线 信号c b e 3 ：0 # 传递，出现于地址期的c b e 3 ：o # 线上。c b e 3 ：o 传递的总线 命令如表2 一l 所示。 表2 一l 总线命令 r a b k 2 11 1 站b u sc o 咖a n d c b e 3 ：0 #命令类型c b e 3 ：0 】# 命令类型 0 0 0 0 中断响应 l 0 0 0 保留 0 0 0 l 特殊周期 1 0 0 l 保留 0 0 1 0 i o 读 1 0 1 0 配置读 0 0 1 1 i o 写 1 0 l l 配置写 0 1 0 0保留 1 1 0 0 存储器多行读 0 1 0 l保留 l l o l 双地址周期 o l l o 存储器读 l l l o存储器行读 0 1 l l 存储器写 1 1 1 l 存储器写并无效 2 1 4p c i 总线协议 p e i 总线的基本传输方式是突发传送。突发传送是一种包含一个地址节拍，后 面跟随两个或两个以上数据节拍的数据传输方式。突发传送示意图如图2 2 所示。 地址节拍载据节拍 厂一 厂_ 、 、厂一! _ ，芝第j 。 l ，、一，j 一、l - 图2 2 突发数据传送示意图 f i g 它2 2b l o c kd i a 粤1 mo fb 研d a l at m n 锄i 蹒i 1 p c i 总线的传输控制 p c i 总线上的数据传输由以下三条信号线控制： ( 1 ) f r a m e # ，表示一个数据传输的开始和结束； ( 2 ) i r d y # ，表示主设备准备好信号，允许插入等待周期； ( 3 ) t r d y # ，表示从设备准备好信号，允许插入等待周期。 2 p c i 总线的寻址 p c i 总线定义了三个物理地址空间：i o 地址空间、内存地址空间和配置地址空 1 0 墓三童囤篮缮煎盆厘g 接旦莶兰9 2 煎2 问。前两者是通常意义的地址空间。配置地址空f b j 用于支持p c i 硬件配置。 当一个传输在接口上启动时，每个潜在的目标都要将总线上的地址与自身配 簧空间中的基地址相比较，以确定自己是否就是当前要进行的传输目标，如果是， 它就要使d e 峪e l # 有效以声明访闯。 p c i 总线的编址是分布式的，每个设备都有自己的地址译码，从而省去了中 央译码逻辑。p c i 总线支持正向和负向两种风格的译码。 3 p c i 总线数据传输过程 p c i 总线传输主要包括读传送、写传送和中止三种操作。p c i 总线基本读时序 和p c i 总线基本写时序分别如图2 - 3 和图2 4 所示。 c u c 八厂、厂、八八八厂、厂、八八八厂、厂、厂、八厂、 f r 腮弋厂 d 研：o l a 蠹x 童) d d a f ) f 蘸) _ 一 鼢0 i ( _ 画f = = = = = _ i = = ：= 卜一 暇d y ，、厂一” ；v 鞋l i 1 1 栅 、一一一一一厂一 图2 3p c i 总线基本读时序 f i g u r e 2 - 3r e a dp b a o f p ab 惦 c u ( 八厂、八厂、厂、八厂、厂、厂、厂、厂、八厂、厂厂、厂、 f r 帕弋厂一 卿叫两r 可x 爵x 可) ( = 百x 匠卜一 g 明3 ：啦( 瓣= = = = 焉= = = = = 卜一 睫v 氍u 砌，、厂 图2 4p c i 总线基本写时序 f i g f e 2 _ 4w r i t ep h a s eo fp c ib 吣 当一个p c i 主设备需要占用p c i 总线传输数据时，首先发出其r e q # 信号，请求占 用总线。若总线仲裁器允许其占用总线时，发出相应的g n d # 信号。该主设备接收 允许信号后，要查询当前总线空 j 哥状态，若当前总线空闲，则启动总线传输。 p c i 总线传输周期由一个地址节拍和一个或多个数据节拍组成。在地址节拍， 主设备发出f r a m e # 信号的同时，在p c i 的a d 3 1 ：o 总线上驱动一个起始地址，且在 c b e 总线上驱动一条总线命令，分别指定被寻址的从设备和传输类型。传输类型 确定了在从设备上是进行读传送( 读存储器、读i o 或读配置空间) 还是写传送( 写 i 塞銮煎厶堂亟堂焦途塞 存储器、写i o 或写配置空间) 。在地址节拍，总线的所有设备都锁存起始地址和 传输类型，并将之译码以确定自己是否是主设备指定的从设备，被指定的从设备 将发送d e v s e l # 信号。当主设备收到从设备发送的d e v s e l # 信号后，主设备置i r d y # 有效，查询并等待从设备的t r d y # 信号有效，当t r d y # 有效时，将开始传输数据。 传输数据的总个数由主设备决定，当主设备准备完成最后一个数据节拍时，将失 效f r a m e # 且发出i r d y # 。 读传送比写传送多一个总线转换周期。 总线主控设备和从设备都可以中止p c i 传送。由主设备启动的传输中止有下列 三种情况：正常完成，超时，异常中止伽a s t e r 靠b o r t ) 。从设备利用s t o p # 信号指 示主设备中止当前的数据传输。由从设备启动的传输中止有三种情况：断开 ( d i s c o n n e c t ) ，重试( r e t r y ) ，异常中止( t a r g e t a b o r t ) 。 当f r a 髓# 与i 如y i 都无效时，所有传送将被中止，总线进入空闲期。 2 1 5p c i 配置空间 p c i 协议规定，每个p c i 设备中都必须建立一个独立的配置地址空间，以便为 b i o s ( 基本输入输出系统) 、p n p ( 即插即用) 操作系统及应用软件提供初始化所 需的参数及配置。当微机系统启动时，配置软件会扫描p c l 总线，确定现有哪些p c 设备，并根据p c i 设备各自的配置要求统一分配系统硬件资源，以实现系统配置。 配置空间中的相应寄存器反映了由配置软件分配给该p c i 设备的存储器空间和i o 空间的地址范围。 p c i 配置空间由2 5 6 个字节组成，前6 4 字节为配置头区，提供设备的基本信息， 后面为设备设置区由设备单独设定。p c i 规范定义了两种头区域格式，第l 类配置 头区域用于定义p c i p c i 桥，丽第o 类配置头区域用于定义其它p c i 设备，在这里， 我们只讨论第o 类配置头区域，其分白如表2 2 所示。 其中的主要配置寄存器说明如下： 制造商i d ( v i d ) ：该寄存器存放设备制造商标识号。有效的制造商标识由制 订p c i 总线规格的标准化组织分配，以确定其唯一性。可以预先设置，也可以由扩 展r o m 装入。 设备i d ( d i d ) ：该寄存器存放制造商指定的设备标识号，可以预先设置，也可 以由扩展r o m 装入。v i d 与d i d 常常用来作为查搜特定设备的依据。 命令( p c i c m d ) ：该寄存器用来存放p c i 命令，其中包括主控允许、i o 或存储 器访问允许等控制位，在进行p c i 总线数据通信前，必须设置好这些控制位。 簋三童酗簋线筮金星豳接旦莶丘幽塑5 2 状态( p c i s t s ) ：该寄存器包含当前p 1 c i 总线的状态信息。 基地址寄存器o ( b a r d ) 基地址寄存器5 ( b r 5 ) ：该寄存器存放着即插即用操 作系统分配给该设备的存储空间或i o 空间的起始地址。存储空间或i o 空间的长 度由使用者设定，并事先将其写入e e p r 删或扩展b 1 0 s ，即插即用操作系统在初始 化时将其装入上述基地址寄存器，并自动给该设备分配与其他设备不冲突的存储 空间或i o 空间p j 。 表2 - 2 配置空问头区域结构 设备i d制造商i d 状态命令 类型版本i d b i s t 头部类型延时计时器c a t c h 线 基地址寄存器o 基地址寄存器1 基地址寄存器2 基地址寄存器3 基地址寄存器4 基地址寄存器5 保留 扩展r 喇基地址寄存器 保留 最小允许最人延迟 中断引脚中断线 2 2p c i 接口设计 在第2 1 节中我们介绍了p c i 局部总线的特点、信号定义和总线操作，在此 基础上，本节将根据工程需求来分析p c i 数据采集卡的性能，讨论并确定高速p c i 数据采集卡的总体设计方案。 根据用户设备的性质不同，连接到p c i 总线上的设备可分为m a s t e r ( 主控设备) 和t a r g e t ( 目标设备) 两种，相应的p c i 接口类型也分为m a s t e r 和t a r g e t 两种。 主控设备可以控制总线驱动地址、数据和控制信号，目标设备不能启动总线操作， 只能依赖于主控设备从其中读取或向其传输数据。 通常情况下，t a r g e t 接口适用于需要同p c 慢速交换数据的接口设备，目标板 1 3 删咖嗍魄枷m 瑚蜘枷枷 捌 | | 铷 姗 a t 塞銮逼太堂亟堂僮论塞 上没有c p u 或者有c p u 但不需要控制p c i 总线，不需要向p c 主动地传输数据。 姒s t e r 接口则适用于需要同p c 快速进行数据交换的接口设备或者在不希望p c 干 预的情况下交换数据的接口设备。目标板上必须安装c p u ，比如单片机、d s p a 蹦 或a s i c 等芯片。 我们设计的数据采集卡将采用t a r g e t ，即目标设备接口，原因是本采集卡的 数据传输是由主控计算机发起的，而且这种设计节约成本。 目前开发p c i 接口大体有两种方式： 1 使用大规模的可编程逻辑器件 用这种方法实现p c i 接口的最大优点是比较灵活。一般来说，典型的p c i 设 计并非要实现p c i 规范中的所有功能，因此，采用可编程逻辑器件可以有选择的 实现自己需要的p c i 功能，具有很强的针对性和灵活性。要实现p c i 接口功能， 可以利用的可编程逻辑器件型号比较的多，但是需要设计者深入理解复杂的p c i 总线协议的细节，同时还要有一定的可编程逻辑设计的功底以及扎实的电路设计 基础，实际工程中需要做大量的逻辑验证和时序分析工作，开发周期较长，不易 实现。 2 使用专用总线接口器件 专用的p c i 接口器件具有强大的功能( f i f o 速度快、容量大等) ，可以实现所 有硬件接口信号和配置空忙j 寄存器，以及完整的p c i 主控模块和目标模块接口功 能。设计者无需掌握复杂的p c i 总线协议，只需按照接口芯片的本地总线接口协 议设计外围电路即可进行扩展昔的设计开发，实现p c i 总线与p c i 用户设备之间 的连接。采用这种方案不但能获得较好的数据传输性能，更能够减少开发时间和 成本，是一种省时又省力的方案。 p c i 总线协议较复杂，直接设计p c i 接口难度较大，对于产品不大又有时限的 工程项目来说，并不合适。在本自动测试系统中，如果采用第种方案自己设计 p c i 接口芯片必然需要将大量的入力、物力投入到纷繁的逻辑验证和时序分析工作 上，开发周期较长，成本高昂。为缩短开发周期，没有必要自己去设计全部复杂 的接口逻辑。 因此，本设计最终采用了第二种方案，即使用专用的总线接口芯片来进行高 速p c i 数据采集卡的设计。采用专用接口器件虽然没有采用可编程逻辑器件那么 灵活，但它却能使我们集中精力于整个系统的设计，丽不是调试p c i 总线的接口， 让我们能在短时间内开发出性能良好、工作稳定的p c i 数据采集卡。 本课题选用p l x 公司推出的低成本的总线目标接口芯片p c l 9 0 5 2 来完成接口电 路部分的设计。p c l 9 0 5 2 是p l x 公司为扩展适配板卡推出的能提供一种混合的高性 能p c i 总线目标( 从) 模式的接口芯片。它能适应多种局部总线的设计要求，并且它 1 4 筮三重g 总线西盒厘壁q 接旦圣丘豳蝼z 与公共总线和相关控制设备的连接非常灵活，p c l 9 0 5 2 为控制板的设计提供了结构 紧凑、高性能的特点 2 ，2 1p 0 1 9 0 5 2 的特点 p c l 9 0 5 2 是p l x 公司开发的低价位的p c i 总线目标接口芯片，低功耗，管脚的封 装为p q f p1 6 0 p i n s ，符合p c i v 2 1 规范，它的局部侧总线可以通过编程设置为 8 1 6 3 2 位的( 非) 复用总线。本文中所述的局部侧总线指的是p c l 9 0 5 2 的l o c a lb u s ， 为的是与通称的局部总线相区别。主要特点如下： ( 1 ) 符合p c i v 2 1 规范的目标接口芯片，支持低成本从属适配器； ( 2 ) 多达5 个局部侧总线地址空间和四个片选信号； ( 3 ) 双向f i f 0 ，用于零等待状态猝发操作； ( 4 ) p c i 总线传输速度可达1 3 2 鹏s ； ( 5 ) 支持多路复用和非多路复用8 位、1 6 位和3 2 位通用局部侧总线： ( 6 ) 支持局部侧总线与p c i 时钟异步运行； ( 7 ) 支持大小e n d i a n 编码字节转换； ( 8 ) 支持来自两个局部侧总线的中断，生成p c i 中断； ( 9 ) 串行e e p r ( ) m 用于装载配置信息； 2 2 2p c l 9 0 5 2 的结构组成 如图2 5 所示，p c l 9 0 5 2 是由p c ib u s 接口逻辑、本地( l o c a lb u s ) 接口逻 辑、串行e e p r o m 接口逻辑和内部逻辑组成f 6 】。 图2 5p c l 9 0 5 2 的结构框图 f i g t 雠2 - 5p c l 9 0 5 2b l o c kd j a g r a m 团习 ，叫0，叶 韭塞銮煎叁堂亟堂位论塞 2 2 3p c i 9 0 5 2 功能简介 虽然p c l 9 0 5 2 是总线目标接口芯片，只能作为p c i 总线的从设备，但其功能独 具特色。 1 初始化和复位 上电过程中，p c l 9 0 5 2 的内部寄存器中p c ib u s 的r s t # 信号复位，并给出响应 信号r e t r y ，在l 0 c a lb u s 上输出l r e s e t # 信号，还要检查串行e e p r 伽是否存在。如 果安装了e e p r 伽且它的前1 6 位不为f f f f ，则p c l 9 0 5 2 用e e p r 伽中的值来配置片内的 寄存器，否则使用缺省值。p c i 总线上主设备还可以通过软件的途径( 在c n t r l 寄存 器中设置相应的位) 对p c i 9 0 5 2 复位，并给出l r e s e t # 信号。采用这种复位以后，主 设备只能访问p c l 9 0 5 2 的配置寄存器，而不能访问l 0 c a lb u s ，直到由主设备将软 件复位的位清除为止 2 片内寄存器访问 考虑到接口设计的最大灵活性，p c l 9 0 5 2 提供了两种类型的片内寄存器，即p c i 配胃寄存器和局部配置寄存器，二者都可以由p c i 总线和串行e e p r 伽访问，也可以 通过设置寄存器c n t r l 1 3 ：1 2 禁止对后者的访问。这些寄存器中，除了地址偏移 为0 0 h ，0 8 h ，2 8 h ，2 c h ，3 4 h 和3 8 h 的寄存器不能由p c i 主设备进行读、写操作之外， 其它都可以：而串行e e p r o m 能进行写操作的寄存器却只有几个，地址偏移分别为 o o h 。0 8 h 。2 c h 和3 c h 。复位后配置识别寄存器p c i i d r 【包括d i d 和v i d ) 为 o x 9 0 5 0 1 0 8 5 h ，状态寄存( p c i s r ) 为o x 0 2 4 0 h ，p c i 基址寄存器l ( p c i b a r l ) 为 0 x o o o 0 0 0 0 l h 。而其余的配置寄存器都复位到零。 3 直接数据传输模式 p c l 9 0 5 2 支持p c i 主设备直接访问局部总线( l 0 c a lb u s ) 上的设备，数据的传输 方式分为内存映射的突发传输、内存映射的单次传输和i o 映射的单次传输，并由 p c i 基址寄存器设置其在p c i 内存和i o 空问中的合适位置，另外，局部映射寄存器 还允许p c i 地址空间转换到局部地址空间。对于p c i v2 1 规范中的延迟读模式、 预读模式在p c l 9 0 5 2 中都能得到很好的体现。直接对局部总线上的从设备进行读、 写操作。通过编程还可以实现局部数据总线输出时交换输入字节顺序的操作，即 大小e n d i a n 模式，这是p c i 9 0 5 2 的一大特色。 4 p c i 中断( i n t a # ) 的产生 要产生p c i 中断i n t a # ，首先将寄存器i n t c s r 6 ( p c i 中断使能位) 设置为“l ”， 如果需要以软件方式产生中断，则只需将i n t c s r 7 ( 软件中断位) 设置为“l ”即 可；如果系统设计方案中选用由本地总线上的设备产生中断信号l i n t i l 和l i n t i 2 、 再生成p c i 中断i n t a # 的方式，那么寄存器i n t c s r 的相关位的设置可以参考寄存器 蓥三重墼簋缝鲍企盈g 接旦莶垃幽2 煎2 i n t c s r 相关位的设置，复位后i n t c s r 的值全部为“0 ”。 5 i s a 接口模式 p c l 9 0 5 2 的一个主要特点就是含有一个i s a 逻辑接口，为i s a 到p c i 提供了一种 简单的