（电路与系统专业论文）基于PCI总线的虚拟仪器研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 摘要 本文论述的是基于p c i 总线的虚拟仪器开发方法，主要以基于p c i 总线的高 速数据采集卡为例。因为虚拟仪器一般主要包括数据采集与处理及最终结果显示 三部分，数据采集作为最前端，是信息处理系统的个重要的组成。虚拟仪器实 际上就是一种基于计算机的自动化测试仪器系统，进行虚拟仪器开发，选择合适 的总线比较重要。总线的标准很多，用户可根据实际需要选择其中一种标准。 p c i 总线是一种高性能3 2 6 4 位时分地址、数据复用高速外围设备接口局部 总线。它具有的极高的总线速度、与处理器无关、能支持多个外设的独特的性能， 越来越受到计算机厂家和工程开发人员的青睐。目前，基于p c i 总线的数据采集 和发送技术是高速数据采集和发送的发展方向。 本论文在第一章中首先对几种p c i 的接口的实现方案进行了分析论证，确定 了利用c p l d 综合p c i 核开发的方案，然后，在第二章中详细的介绍了p c i 协议 及p c i 数据传输时序。在此理论基础上，第三章和第四章介绍了数据采集卡的软、 硬件的实现方法。硬件设计中，首先对设计的核，山p c im e g a c o r e 即p c ia 核的性 能、信号、传输方式作了详细分析，然后介绍了用户模块及p c b 板的设计；软件 设计主要包括l a b v i e w 界面设计、应用程序设计及驱动程序设计，给出了主要 的设计思想，所依据的理论，程序流程图。整个软硬件设计用到了许多应用软件 及开发环境，如m a x p l u s l i 、p m t e l 9 9 、l a b v i e w 、v i s u a lc + + 等。 论文最后给出了将本次设计成果扩展到多种虚拟仪器设计上的实现方法以 及在以后的开发中有待继续解决的问题。 关键词：p c i 总线p c i a f p g ad l l w d m 驱动程序 a b s 打a e t 2 a b s j r a c t t h i sp a p e rd i s c u s s e st h em e t h o do f t h ed e v e l o p m e n to f v i r t u a ld e v i c eb a s e do np c i b u s ，t a k e st h eh i g hs p e e dd a t ac o l l e c t i o nc a r df o re x a m p l e b e c a u s ev i r t u a ld e v i c e c o m m o n l y c o n s i s t so f t h r e e p a r t s ：d a t a c o l l e c t i o n ，d a t ap r o c e s s i n ga n d d e s p l a y o f f i n a l r e s u l t a st h ef r o n te n d ，d a t ac o l l e c t i o ni sai m p o r t a n tp a r to fi n f o r m a t i o nd i s p o s a l s y s t e m v i r t u a ld e v i c ei nf a c ti saa u t o m a t i ct e s t i n gi n s t r u m e n tb a s e do nc o m p u t e r ，t o e m p o l d e r av i r t u a ld e v i c e ，c h o o s i n gt h es u i t a b l eb u si sv e r yi m p o r t a n t t h es t a n d a r d so f b u sa r ev a r i o u s ，u s e rs h o u l dc h o o s eo n e a c c o r d i n g t oh i s r e q u i r e m e n t p c ib u si sa h i g hp e r f o r m a n c e ，h i g hs p e e dp e r i p h e r a lc o m p o n e n t i n t e r c o n n e c tl o c a l b u sw i t h3 2 6 4b i t st i m e m u l t i p l e x e da d d r e s s d a t ab u s i t sp e r f o r m a n c e ss u c ha sh i g h b u ss p e e d ，p r o c e s s o ri n d e p e n d e n c e ，m u l t i - p e r i p h e r a le q u i p m e n t ss u p p o r tg a i nm u c h m o r ei n t e r e s t so fp c p r o d u c e r sa n dd e v e l o p e r s p r e s e n t l y ，d e v e l o p m e n tb a s e d o np c i b u si st h ed i r e c t i o no f t h e d e v e l o p m e n to f h i g hs p e e d d a t ac o l l e c t i o na n dt r a n s a c t i o n ， t h i sp a p e r f i r s t l ya n a l y z e ss e v e r a ls c h e m e so f p c i i n t e r f a c er e a l i z a t i o n ，d e t e r m i n e s t h es c h e m eo f u s i n gc p l ds y n t h e s i z e dp c i c o r ei nc h a p t e r1 a f t e r w a r d s ，c a p t e r2 i n 订o d u c e sp c i p r o t o c o la n dp c i d a t at r a n s t i o nt i m e b a s e do nt h e s et h e o r y s ，c h a p t e r3 a n dc h a p t e r4i n t r o d u c et h e d e s i g nm e t h o do fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e o ft h ed a t a c o l l e c t i o nc a r d i nt h ep a r to f h a r d w a r e d e s i g n ，f i s t l yi ta n a l y z e st h ep e r f o r m a n c e 、t h e s i g n a l sa n dt h et r a n s a c t i o nm o d eo f p c im e g a c o r ei nd e r m i s ，s e c o n d l yi ti n t r o d u c e st h e d e s i g nm e t h o do f u s e rm o d u l ea n dp c bc a r d t h ep a r to fs o f t w a f ed e s i g nc o n s i s t so f i n t e r f a c ed e s i g nw i t h l a b v l e w ，a p p l i c a t i o np r o g r a m a n dd r i v e rp r o g r a m d e s i g n ，w h i c h g i v e sm a i nd e s i g ni d e a ，t h e o r ya n df l o wc h a r t so f t h ep r o g r a m s o f t w a r ea n dh a r d w a r e d e s i g nu s e sa l o to f a p p l i c a t i o ns o f t w a r es u c ha s m a x p l u s l i 、p r o t e l 9 9 、l a b v i e w 、v i s u a l c + + ，e t c f i n a l l yt h i sp a p e rp r e s e n t st h em e t h o d so fe x t e n d i n gt h ea c h i e v e m e n tt om a n y k i n d so fv i r t u a ld e v i c ed e s i g na n ds o n i c p r o b l e m s t h a t r e q u i r e d t ob es o l v e da n d r e s e a r c h e di nf u t u r e k e y w o r d s ：p c ib u s p c i a f p g ad l lw d md r i v e rp r o g r a m 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容之外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料，与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在文中做了明确的说明并表示了谢意。 本人签名：蓠 i 蕈e l 期：0 卯3 3 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以允许采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本人签名： 导师签名： 黄龌 日期： 地i ：! ! ! 三 日期：纫多，i 弓 第一章绪论 第一章绪论 1 1 项目的背景及意义 随着电子仪器技术及大规模集成电路技术的发展，传统的电子仪器已从模拟 技术向数字技术发展；从单台仪器向虚拟仪器系统型发展：从完全由硬件实现仪 器功能向软硬结合方向发展。同时，随着计算机技术的不断提高，现代电子仪器 系统正向仪器的自动化、智能化、网络化和综合化方向发展。 所谓“虚拟仪器”，它只是一种概念性仪器，迄今为止，业界还没有一个明确 的国际标准和定义。虚拟仪器，实际上就是一种基于计算机的自动化测试仪器系 统。“硬件软件化”可以说是虚拟仪器开发的核心思想。将传统测量仪器中的公共 部分( 如电源、操作面板、显示屏幕、通信总线和相关测量功能) 集中起来共享， 利用计算机及网络技术通过软件与硬件的结合实现多种物理仪器的共享。用此种 方法组建的自动测试系统，可以充分的利用个人计算机的软硬件资源，去掉一些 传统仪器中不必要的硬件资源，不同功能的仪器仅体现于测量模块及其软件的不 同。一台计算机只要配备了相应的测量模板或扩展机箱，就可以立即成为存贮示 波器、逻辑分析仪、多功能信号发生器或频谱分析仪等等，因此，虚拟仪器的开 发是当代仪器技术韵一个重大进步。 虚拟仪器一般主要包括数据采集与处理及最终结果显示三个部分。数据采集 作为最前端，是信息处理系统的一个重要的组成部分。对于一般的数据采集任务 有通用的数据采集系统可供选用。一些厂商推出了通用的高速或超高速数据采集 卡，只需在其前端接上传感器、后端加上后继数字信号处理部分即可使用。这些 数据采集卡虽然方便，但价格也比较昂贵。另外，由于数据源以及用户需求的多 样性，通用的采集设备不可能总是满足定制要求，因此，许多用户根据自己的需 要基于计算机的微机总线自行研发商速度、高性能的数据采集卡。 进行虚拟仪器开发，选择合适的总线比较重要。总线的标准多种多样，选择 那一种标准，完全取决于用户的实际需要。 般来说，计算机总线分系统总线、外部总线、内部总线三部分，外部总线 也称作i 0 总线。为了和系统总线加以区分，也把内部总线和外部总线叫做局部总 线。 ( 1 ) 系统总线：也称微型机总线或板卡总线，用来和机系统、插槽上各种扩 充板相连，是微型机系统最重要的一种总线，系统总线有多种标准，如i s a 、e i s a 和目前流行的p c i 等。 2基于p c i 总线的虚拟仪器研究 ( 2 ) 外部总线：用于系统之间的互连，如微型机之问、微型机与仪器或其它 设备之间，常用的外部总线有r s 2 3 2 c 、i e e e 4 8 8 、v x i 等，u s b 总线也属于这 一总线类型。 ( 3 ) 内部总线：用于芯片一级的连接，将接口芯片与c p u 相接时就用到这种 总线。它般是c p u 引脚的延伸，与c p u 关系密切，负责与c p u 之间的通信。 不同的总线技术是为了解决某方面问题而产生的，侧重于某一种问题的处 理，如u s b 总线是为了解决一些速度相对较慢的设备的u o 操作的，p c i 、i s a 、 e i s a 总线则用于提高系统的性能，而s c s i 和i d e 总线则专门用于解决磁盘和主 机之间的i o 操作，v e s a 总线则用于提高系统的视频性能。 尽管各类总线在设计细节上有许多不同之处，应用范围也不尽相同，但从总 体上看，它们都必须解决信号分类、传输应答、同步控制、资源共享和资源分配 的问题，因此它们的主要性能指标是可比较的，这对于板卡设计者也很重要，根 据自己的需要结合总线的特性选择合适的总线进行开发。 表1 1 流行总线性能比较 总线宽度总线工作速率最大传输速率 总线类型适用机型 ( b i t )( m h z )( m b s ) p c ，) ，1 8 0 8 6844 8 0 2 8 6 ，3 8 6 ， i s a 1 681 6 4 8 6 系列 e i s a2 8 6 ，3 8 6 ，5 8 6 系列3 28 3 33 3 ，3 z 一8 0 ，v 2 0 ，v 4 0 ，i b m m c a822 系列 1 3 2 p c i i b mp c 机和工作站 3 2 或6 4 3 3 或2 6 4 ( 6 4 位) 1 4 8 6 ，p c a t 兼容 3 3 v l b u s3 24 01 2 8 1 3 2 机 5 0 u s bp e n t i u i n 系列p c串行口1 21 2 m b s 以上我们从总线的宽度、总线工作频率、最大数据传输速率等三个方面对几种 常用的总线作了比较，通过比较可以看出，无论从总线宽度还是传输速度方面， 第一章绪论 p c i 总线都有很大的优势。 p c i 的概念是1 9 9 1 年下半年，i n t e l 公司首先提出的，它的英文全称为 p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ，即外设部件互连。p c i 总线即外设部件互 连总线，是一种高性能3 2 6 4 位地址、数据复用高速外围设备接口局部总线。 p c i 总线是目前计算机市场中最有发展潜力的系统总线之一，相比i s a 和e i s a 总线，p c i 总线较好的解决了原有的微处理器的高速度和总线的低速度不同步，即 总线成为数据传输瓶颈的问题。p c i 总线工作在3 3 m h z 频率时，3 2 位方式传输吞吐 量峰值可达1 3 2 m b s ，6 4 位加倍。p c i 总线具有的极高的数据传输率、与处理器无 关、能支持多个外设的独特性能，越来越受到计算机厂家和工程开发人员的青睐， 因此，基于p c i 总线的数据采集和发送技术是高速数据采集和发送的发展方向， 特别是在雷达和卫星图象数据的大容量、实时性的采集和回放中具有无与伦比的 优势。 在目前一段时间里，p c i 局部总线接口是许多适配器的首选接口，现在绝大多 数主板上都带有p c i 插槽。 p c i 优越的特陆使得p c i 总线接口的研究和开发成为一个热点。 1 2p c i 设计方案讨论及可行性分析 1 2 1 概述 p c i 总线由于其极高的速度和良好的性能而越来越多的应用于系统设计中，但 由于p c i 总线本身的复杂性，虽然p c i 总线在外部元件的互连总线选择中被认为 是最可靠、最灵活、高速的方案，但真正实现p c i 接口是有一定的难度的。这主 要体现在： 1 、p c i 总线接口设计要严格遵守p e i 总线规范、电器技术规范和机械技术规 范。 2 、p c i 总线是同步总线，定时十分严格。例如p c i 来的信号，从时钟上升沿 到输出有效的时间是2 1 i n s ，而要求接口产生的信号距时钟上升沿的准备时间不 小与7 n s ，并且信号多是三态驱动。在这样短的时间内，一般的集成电路不适于做 p c i 接口，为了实现p c i 接口设计应选用高速芯片。 3 、进行软硬件产品的制作调试阶段还需要很多开发工具，比如基于软件的总 线接1 2 1 模型和基于硬件的p c i 总线实习器。有了这些开发工具进行p c i 总线接口 开发、定位故障要方便的多，如果只有逻辑分析仪也可以，不过开发难度会增大。 目前，开发p c i 总线接口一般有两种方式：使用有关公司的专用p c i 接口芯 片来开发或使用可编程逻辑器件( p l d ) 来开发。这两种开发方法各有长处，下面 就对这两种方法做一个简单的说明和比较。 4 基于p c i 总线的虚拟仪器研究 1 2 2 采用专用芯片设计 专用芯片放置在系统插槽与p c i 总线之间，提供数据传递和控京4 信号的接口 电路，这是一种能解决设计难点有效方法。但是，这种芯片必须具备好的通用性， 不限于插卡侧的特定处理总线，能够优化数据传输，提供配置空间，具备片内 f i f o 功能( 由于突发性传输) 等。 目前，只有少数厂家能提供这类专用芯片，如a m c c 公司开发的主从控制 芯片$ 5 9 0 0 3 3 、p l x 公司开发的p l x 9 0 8 0 和p l x 9 0 5 4 、还有p c i 接口专用芯片 p c i 9 0 8 0 等，其中以a m c c 公司的$ 5 9 3 3 最为著名。 a m c c 公司生产的$ 5 9 3 3 是一种功能强大、使用灵活的p c i 总线控制器专用 芯片。该芯片符合p c i 局部总线规范2 1 版，可作为p c i 总线的目标设备( s l a v e ) ， 实现基本的传送要求；也可作为p c i 总线的主控设备( m a s t e r ) ，访问其它p c i 总 线设备。 图1 i $ 5 9 3 3 结构框图 如图1 1 为s 5 9 3 3 简化结构框图。$ 5 9 3 3 提供3 个物理总线接口，即p c i 总线 接口、外加总线接口和可选的n v 存储器接口。数据传送可以在p c i 总线和外加 总线之间进行，也可以在p c i 总线与n v 存储器之问进行。p c i 总线和外加总线之 间的数据可以通过信箱寄存器、f i f o 或是p a s s t h r u 通道来传送。 1 ) 信箱寄存器通道： $ 5 9 3 3 的信箱寄存器提供了一个双f 龟数据通道，可以在软件的控翩下完成系统 平台与外加设备之间的数据传送。这些信箱可以当作用户命令、状态或者命令参 数寄存器使用，其用途可以出用户自己定义。当定义的事件发生对，可以在p c i 总线或者外加总线产生中断。 2 ) f i f o 通道： 在$ 5 9 3 3 内部有两个独立的、深度为3 2 x 8 的f i f o 数据通道。一个是用于p c i 第一章绪论 总线到外加数据总线的数据传送，另一个是用于外加总线到p c i 总线的数据传送。 两个f i f o 都支持p c i 主控及突发传输。每一个f i f o 有一个地址指针和传送计数 器用来实现p c i 数据传送，用f i f o 传送数据时，可以使用硬件控制也可以使用软 件控制。 3 ) p a s s - - t h r u 通道： p a s s t h r u 通道为p c i 总线提供一种寄存的访问端口，通过握手协议访问外 加总线，它允许p c i 传送和外加接口操作同时进行。使用p a s s - - t h r u 方式可以 获得极高的数据传送速率，数据速率只受限于p c i 总线和外设的速率。但是p a s s t h r u 通道只能作为目标设备，支持突发传输。p a s s t h r u 中包含一个地址 寄存器和两个数据寄存器( 一个数据寄存器对应一个传送方向) ，并为外加接口提 供相应的控制信息。 另外，$ 5 9 3 3 还支持配置寄存器以保证与p c i 总线协议兼容。$ 5 9 3 3 的初始化 是由配置寄存器在系统配置周期自动完成的。配置寄存器使用的是a t m e l 公司的 2 4 c 0 2 串行存储器。 采用a m c c 5 9 3 3 芯片进行p c i 总线的设计，通过合理的配置，可以比较全面 的完成p c i 系统的设计，且符合高速系统设计上的要求。 1 2 3 采用p l d 设计 p l d ( 可编程逻辑器件) 以其操作灵活、使用方便、开发迅速、投资风险低的特 点，越来越受到人们的瞩目。p l d 是可以由用户在工作现场编程的器件，它从简 单的p a l 、g a l ，已发展到c p l d 、e p l d 、f p g a 和f l e x 系列。同p a l 、g a l 等相比较，f p g a j c p l d 的规模比较大，适于时序、组合等逻辑电路等场合应用。 现在，随着现场可编程逻辑阵列技术的快速发展，万门以上乃至几千万门逻 辑阵列的使用越来越普遍，p l d 的单片价格也大幅下降。可编程逻辑器件易学、易 用，简化了系统设计，缩小了系统规模。很多芯片制造商都开发了可下载到可编 程逻辑器件中使用的p c i 接口宏核逻辑( p c i m e g a c o r e ) 。 使用p l d 技术开发p c i 板卡有以下优点： 1 、开发周期短、成本低、投资风险小，可实时在线检验。采用p l d 技术设计 完成后，可以进行实时的时序仿真，验证改进设计结果，而不用重复的硬件检验。 设计通过后写入芯片，通过测试即可投入使用，省去了其它开发设备，成本比较 低。 2 、使用灵活方便，设计者可以将用户逻辑与p c im e g a c o r e 集成在一片p l d 里，并且可以在顶层通过仿真来验证接口以及用户逻辑设计的正确与否。这样， 可以大幅度提高调试速度，缩短开发周期，提高电路板的集成度和系统性能，并 且有利于软件性能的提高，提高运行速度。 3 、采用可编程逻辑器件实现p c i 接口还有一个好处是针对性强、修改方便。 6基于p c i 总线的虚拟仪器研究 对于一个典型的p c i 设计来说，并非一定要实现p c i 规范中的所有功能，而只是 这些规范的一个子集，用可编程逻辑器件可以有针对性的对用户的要求进行设计。 另外用可编程器件的灵括性还体现在当系统升级时，只需更改器件内部的逻辑 即可，无需更新p c b 版图。 任何完善的p c i 接口器件都必须提供p c i 配置空间，这就需要在p l d 芯片内 部实现配置寄存器，这一般使用片内r a m 模块或加片外高速静态r a m 来实现。 实现p c i 协议规定功能，完成逻辑校验、地址译码、实现配置所需的各类寄存器 等p c i 基本要求，大致需要1 0 ，0 0 0 个电路门。此外，设计中还需加入f i f o 、用 户寄存器、后端设备接口等器件。 1 2 4 结论 比较上面两种p c i 接口设计方案可知： 采用t m c c 5 9 3 3 等专用芯片，可以比较容易的实现p c i 接口，可以让开发者避 开复杂的p c i 总线协议，减少工作量，降低设计难度，缩短开发周期。但是，使 用p c i 专用接口芯片也存在一些问题：它价格太高、功能过全，开发者一般只用 了其中一部分功能，既造成了资源浪费又不经济；并且它接口固定，使用起来不 太灵活。 而应用可编程逻辑器件进行p c i 接口设计，能够较灵活的实现所需要的功能， 比较适合本设计的要求，故本设计拟采用这种方案。 1 3 本论文主要工作 在本论文中，我主要做了以下工作： l 、研究有关的基本知识和相关理论 基于p c i 的数据采集卡的设计应用到许多方面的知识，其中包括p c i 协议、 v h d l 硬件描述语言、c + + 程序编写、w d m 格式驱动程序开发等。本论文的初期工 作主要是阅读大量的相关书籍，对项目的整体方案进行论证。找出并解决数据采 集卡软硬件设计中的关键技术。 2 、硬件设计 在硬件电路设计中，使用先进的e d a 开发工具、f p o a 技术等，大大提高了 设计效率。硬件设计主要包括采集电路设计、与可编程器件接口电路设计、用7 h d l 语言在f p g a 内部对控制模块的设计等。 3 、软件设计 软件设计主要包括用v c + + 及d d k 开发工具包开发w d m 格式的驱动程序以 及用l a b v i e w 应用软件设计虚拟仪器界面。其中，w d m 即w i n3 2 驱动程序模型， 它旨在推广种灵活的方式来简化驱动程序的开发，是m i c r o s o f t 力推的全新驱 第章绪论 7 动程序模型，虽然它目前尚未得到大范围的应用，但未来将成为驱动开发的主流。 4 、系统调试 系统调试主要就是驱动程序的编译和调试，因为驱动程序在整个设计中占了 很大比重，并且驱动程序是操作系统信任的部分，它的错误很容易破坏系统，所 以必须进行详细调试。驱动程序编译采用d d k 工具包中的b u i l d 命令，调试就利 用了驱程中加入的d e b u g p r i n t 语句，它通过d e b u g p r i n t 软件的用户态监视应用程 序显示“打印”跟踪语句，通过它来跟踪调试。另外，还要对用v h d l 开发的控 制模块进行时序及功能仿真，验证设计的正确性。最后，还要将软件和硬件结合 起来进行调试，验证是否可以实现设计的要求。 8基于p c i 总线的虚拟仪器研究 第二章p c i 总线介绍 2 1p c i 总线特点 p c i 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。p c i 采用高度综合化的局部总线结构，其优化的设 计可使今日最先进的微处理器及个人电脑科技得到充分利用。它可确保电脑部件、 附加卡及系统之间的运作可靠，并能完全兼容现有的i s a e i s a m i c r oc h a n n e l 扩充总线。总之，p c i 局部总线具有如下特点： l 、高性能 p c i 是一套整体的系统解决方案，较其它只为加速图形或视频操作的局部总 线优越。它能提高网络界面卡、硬盘的性能；可以出色地配合全活动影像、图形 及各种高速外围设备的要求。p c i 局部总线以3 3 m h z 的时钟频率操作，采用3 2 位 数据总线，可支持多组外围部件及附加卡。数据传送速率可高达1 3 2 m b s ，远远 超过标准i s a 总线5 m b s 的速率。即使在3 2 位的情况下，也能支持奔腾( p e n t i u m ) 级电脑的图形数据传送速率。 2 、线性突发传输 p c i 能支持一种称为线性突发的数据传输模式，可确保总线不断满载数据。 外围设备一般会由内存某个地址顺序接收数据，这种线性或顺序的寻址方式，意 味着可以由某一个地址起读写大量数据，然后每次只需将地址自动加1 ，便可接收 数据流内下一个字节的数据。线性突发传输能够更有效地运用总线的带宽去传送 数据，以减少无谓的地址操作。 3 、极小的存取延误 支持p c i 的设备，存取延误很小，能够大幅度减少外围设备取得总线控制权 所需的时间。例如，连接局部网络的以太网控制器，其缓冲区随时需要由网络接 收大型档案，由于要等待使用总线的批准，从而使以太网界面卡往往无法及时在 缓冲区溢出之前迅速将数据送给中央处理器，网络界面卡被迫将文件内容存在额 外的内存区。对于p c i 兼容的外围设备，由于它能提供更快速的存取，因此以太 网卡可及时将数据传至中央处理器，减少所需的额外内存，从而降低附加卡的整 体成本。 4 、采用总线主控和同步操作 p c i 的总线圭控和同步操作功能有利于p c i 性能的改善。总线主控是大多数 总线都具有的功能，目的是让任何一个具有处理能力的外围设备暂时接管总线， 第二帮p c i 总线介绍 9 以加速执行高吞吐量、高优先级的任务。p c i 独特的同步操作功能可保证微处理器 能够与这些总线主控同时操作，不必等待后者的完成。 5 、不受处理器限制 p c i 独立于处理器的结构，形成一种独特的中阕缓冲器设计方式，将中央处理 器子系统与外围设备分开。一般来说，在中央处理总线上增加更多的设各或部件， 只会降低性自和可靠程度。丽有了缓冲器的设计方式，用户可随意增添外围设备 以扩展电脑系统，而不必担心在不同时钟频率下会导致性能的下降。 独立于处理器的总线设计还可像证处理器技术的变化不会使任何个别系统的 设计变得过时使使用者大为受惠。 6 、适合于各种机型 p c i 局部总线不只是为标准的桌面( 台式) 电脑提供合理的局部总线设计，同时 也适用于便携式电脑和服务器。它可为便携式电脑及笔记本电脑提供台式电脑的 图形性能，又可支持3 3 v 的电源环境，延长电池寿命，为电脑的小型化创造了良 好的实现条件。p c i 可缩小零件的尺寸，减少零件的数目，从而节省了宝贵的线路 板空间，可使系统设计者在其产品中加入更多功能。 在服务器环境下，p c i 支持分级式外围设备的特性，可使一个p c i 晁面支持一 组级联的p c i 局部总线：也可| ；三 使设置为多组p c i 总线的服务器增添额外的扩展 插槽，提供更多的i 0 接口，并将高带宽与低带宽的数据分隔开来。 7 、兼容往强 由于p c i 的设计是要辅助现有的扩展总线标准，因此它与i s a 、e i s a 及m c a 总线完全兼容。虽然现有电脑系统的插槽数目有限，僵p c i 局部总线可提供“共 用插槽”，以便接插一个p c i 、i s a 、e i s a 及m c a 插头。这种兼容能力能保障使 用者豹投资，让用户在继续使用沿翔的附加卡之余，又能提供额外的插稽，方便 用户选用新的外围设备。 8 、预蟹了发展空间 p c i 总线在开发时预留了充足的发展空间，这是它的一项重要特性。例如，它 支持6 4 位地址数据多路复用，这是考虑至新一代的高往麓外围设备最终将需要 6 4 位宽的数据通道。p c i 的6 4 位延伸设计，可将系统的数据传输速率提高到2 6 4 9 b s ，同时，由于p c i 插植畿同时接插3 2 位和6 4 位插卡，从而傲n t 真正的瞻前 顾后、上下兼容。 p c i 还提供了自动配置功能，每个p c i 设备有2 5 6 字节的配置寄存器，可以实 现设备的即插即用，从而保证了用户在安装外围卡时，不需要手工调整跳线。 9 、低成本、高效益 p c i 的芯片将大量系统功能高度集成、节省了逻辑电路、耗用较小的线路板空 间、成本降低。p c i 部件采用地址数据线复用，从丽使p c i 部件用以连接其它部 0基于p c i 总线的虚拟仪器研究 件的引脚数减至5 0 以下。 总之，p c i 局部总线既迎合了当今的技术要求，又熊满足未来的需要，是计算 机界公认的最具高瞻远瞩的局部总线标准。p c i 的高性能、高效率及与现有标准的 兼容健和充裕的发展潜力，是其它总线不可及的。 下图为典型的p c i 系统结构图： 图2 1p c i 微机系统结构图 在图2 1 中可以看到。处理机c a c h e 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，从两馒处理器能够直接访问通过它 映射于存储器空间或i 0 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熊，以使c p u 与p c i 总线上的设备并行 工作丽不必相互等待；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 8 i 总线的全部驱动控制。扩展总线桥( 标准总线接口) 的 设置是为了能在p c i 总线上接出一条标准i o 扩展总线，如i s a 、e i s a 或m c a 总 线，从而可继续使用现有的i 0 设备，以增加p c i 总线的兼容性和选择范围。一 般来说，典型的p c i 局部总线系统中，最多支持三个插槽( 连接器) ，但这样的扩 充能力并不一定是必要的。p c i 接插卡连接器属于微通道类型的连接器。同样的 p c i 扩充板连接器也可用在i s a 、e i s a 及m c a 总线的系统中 2 2p c i 总线信号定义 在一个p c i 应用系统中，如果菜设备取得了总线控制权，就称其为“主设备”， 两被主设备选中以进行通信的设备称为“从设备”或“目标节点”。对于相应的接 第二章p c i 总线介绍 口信号线，通常分为必备的和可选的两大类，妇果只作为目标的设备，至少需要 4 7 条，若作为主设备则需要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。下面对主设备与目标设备综合考虑，并按功能分组将 这些信号表示于图2 2 中。 必备的可选的 ，l 。 。a d 3 l ：。0 )： d e e 3 ：3 2 】) ：了 撕拽i 蜜掣窆 p c i 苣，b e 7 ：4 】磅 总线设备 ：p a r 6 4j f m r a m 、，e + 嚣- r e 0 6 4 # 二 a c k 6 4 莓 一l k l ，i 耳 二i r d y # 二_ 一l o c i ( 轱 制信号二汀o p # 一 t n t a 茸一。 _ id e v s 目# 二 - n 1 丑# 一 。 i d s e , l jj n t c 卦一 酱信号1 【：蕞黄# ： 一 i n t d p 二 一s b o # 一一 龆 信号lg 黑蕃。 _ 二s d o n e ： t d i 、 一一t d o j c 【k 一 二 r c k i 筛信哥 r ”茧二 二，吾筹。f 图2 2p c i 局部总线信号 p c i 总线接口信号( 必备) ： a d 3 1 ：d 1t s ；时分复用地址数据信号，在f r a m e # 有效的一个时钟， a d 3 1 ：0 上的信号为地址信号，在i r d y 与t r d y 同时有效时为数据信号。 c b e 3 ：0 # t s ：总线命令字节使能信号在地址期中传输的是总线命令， 在数据期中是字节使能控制信号。 f r a m e #s t s ：由总线主设备驱动，指明传输的起始时间和终止时间， 在该信号有效期间表示总线传输开始，当该信号无效时，传输的是最后一个数据 节拍。 i r d y #s t s ：由总线主设备驱动，读操作时表示已准备好接受数据，写 操作时表示有效数据已经在数据上。 t r d y #s t s ：由从设备驱动，读操作时从设备正在把有效数据放在数据 总线上；写操作时表示从设备准备接受来自主设备的数据。 d e v s e l #s t s ：译码出的地址在该设备的地址范围内时，则该信号有效。 i d s e lf n ：配置读、写期间由主设备发出的片选信号。 s t o p # s t s ：从设备向主设备表示停止目前信号的传送。 1 2基于p c i 总线的虚拟仪器研究 p a r t s ：奇偶校验信号，它通过a d 3 1 ：o 和c b e 3 ：0 8 ：i , 茳行奇偶校验。 p e r r # s t s ：该信号报告数据奇偶校验错。 s e r r # o d ：该信号报告地址奇偶校验错，或者特殊命令序列中的数据奇偶 校验错。 i n t a # o d ：表示p c i 设备请求中断。 r e q # o u t ：表示总线主设备向仲裁器发出要占用p c i 总线的请求。 g n t #i n ：仲裁器向总线主设备发出的p c i 总线允许占用信号。 c l ki n ：总线时钟信号。 r e s #i n ：系统复位信号。 信号名称后加# 号表示低电平有效。接口信号类型由信号名称后的符号表明， 含义如下： i n ：标准输入信号。 o u t ：标准输出信号。 t s ：t r i s t a t e 双向三态信号。 s t s ：一次只有一个信号驱动的低电平三态信号。驱动s t l s 信号必须在它 悬浮之前维持一个时钟的高电平。新的驱动信号必须在三态之后的一个时钟才开 始驱动。 o d ：漏级开路。 接口信号中，地址数据线组的c b e 3 ：0 # 是总线命令和字节使能多路复用信 号线。在地址期内，这四条线上传输的是总线命令：在数据期内，它们传输的是 字节使能信号，c b e o # c b e 3 # 分别对应双字的匹个字节，信号线置低即对应的 数据字节位有效。d m a 传输中，数据期内c b e 3 ：0 # 是全有效的。 c b e 3 ：0 # 传输总线命令时的译码说明见下表： 表2 1c b e 3 ：0 # 总线命令译码 c b e 3 ：0 1 # 命令类型说明 0o0o 中断应答( o e 断识别) oo01特殊周期 o01o i o 读( 从i o 地址中读数据) o0l1 y o 写( 向i 0 地址空间写数据) o1o0保留 o1o1保留 01l0 存储器读( 从内存空间映像中读数据) 0ll1存储器写( 向内存空间映像中写数据) 10 0 0保留 第二章p c i 总线介绍 1001保留 lo10配置读 lo1l配置写 l100存储器多行读 l101双地址周期 l1lo存储器一行读 l11l存储器写和使无效 地址数据分时复用线a d 3 1 ：0 在地址译码时，针对不同的地址空间也有不同 的含义，下面作详细的介绍。 ( 1 ) i 0 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 l # 信号) 。在i 0 访问中，a d 1 ：0 两位很重要，一方面它用来产 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 # 配合。例如，c b e 0 # 有效时，a d 1 ：0 必须为“0 0 ”；如果c b e 3 # 有效，a d 1 ：0 就应当为“1 l ”。在具体访问中，每当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”操作来结束 访问。下表给出了a d 1 ：0 和c b e 3 ：0 3 的对应关系。 表2 2a d 1 ：0 和c b e 3 ：0 对应关系 a d la d 0c b e 3 #c 距2 #c ，h 巨l #c b e 0 “ 00xx x0 oixxo j lox0il llolll 其中：1 表示高电平，0 表示低电平，x 表示o 或l ，任何不同于表中的组合 状态都是非法的。 ( 2 ) 存储器地址空间 在存储器访问中，所有的目标设备都要检查a d 1 ：o ，或者提供所要求的突 发传输顺序，或者执行一目标设备断开操作。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 增长，直到传输结束。在存储器访问期间，a d 1 ：0 的含义如下： 1 4基于p c i 总线的虚拟仪器研究 当a d 1 ：o = o o 时，c a c h e 突发传输顺序为线性增长方式；a d i ：0 = 0 1 时， 为行切换方式；a d 1 ：o = l x 时，为保留。 ( 3 ) 配置地址空间 在配置地址空间中，要用a d 7 ：2 将访问落实到一个d w 0 r d 地址。当一个设 备收到配置命令时，若i d s e l 信号成立且a d 1 ：o = o o ，贝| j 该设备即被选为访问的 目标，否则就不参与当前的数据传输。 2 3p c i 总线的基本读写时序 2 3 1 概述 p c i 总线除了支持单周期数据读写，还支持一种名为零等待状态突发的数据传 送模式，单周期读写比较简单，这里就不再介绍。突发传输是可确保总线不断的 满载数据，其突发传输速率可达到1 3 2 m w s 。一个突发分组由一个地址期和一个 ( 多个) 数据期组成，p c i 支持存储器空间和i o 空间的突发传输。 突发传送中，总线主设器仅对总线拥有者作出一次彳孛裁。起始她垃和交易类 型在地址段发布，总线的所有设备锁定地址和交易类型，并将之译码以确定谁是 目标设备。目标设备将起始地址锁存在地址计数器( 假使它支持突发模式) 并且 按照一个个数据段递增该地址。许多p c i 总线设备和目标设备都支持突发模式， 但注意，若遇到p c i 目标设备只支持单个数据段交易，当一个总线主设备试图执 行一