（机械电子工程专业论文）基于pci总线的机电产品智能控制系统的开发研制.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 本文论述了基于p c i 总线的机电产品控制系统的丌发过程和方法。并且丌 发了基于p c i 总线的数控标牌 - e p 系统的硬件电路和软件驱动程序。 整个控制系统由基于p c i 总线的数据传输部分和标牌打印机的控制部分两 部分组成。数据的存储和上位机到下位机的通讯由双口r a m i d t 7 0 0 7 来完成。 ，p c i 总线的数据传输部分分为硬件部分和软件部分。其中p c i 总线接口芯 片p c i 9 0 5 2 是这一部分的核心。p c i 9 0 5 2 的引脚分为p c i 接口、串行e e p r o m 接口和局部总线接口三个部分。在这几个部分接口中，p c i 9 0 5 2 同局部总线的 接口是本课题的关键。在p c i 配置寄存器的配置中介绍了p c i 配置空间和局部 配胃空问的结构，并且根据课题中的实际应用进行了数据配置。为了使系统能 在w i n d o w s 环境下使用，丌发了它的w i n d o w s 驱动程序。另外，为了使现有的 数控标牌打印程序适应本课题的设计思路，对数控标牌打印程序中控制数据的 生成和传输机制进行了修改。 标稗打印机的控制部分包括硬件电路和软件编程。在硬件电路部分，根扼 课题的具体要求对一些主要芯片进行了选择，然后设计了硬件线路：在软件 部分，首先对步进电机的升降速曲线进行了分析，选择了步进电机升降速模型。 根据标牌打印机的具体工作过程，编写了标牌打印的完整汇编程序和步进电机 的软件驱动程序。 在课题开发完成以后，将这套控制系统在y p 3 6 0 数控标牌打印机上进行了 试验，经过多次的测试和修改，取得了较为满意的控制效果。力7 一“ 关键词：p c i 总线；w i n d o w s 驱动程序：数控标牌打印机：步进电机 第1 页 山东大学硕士学位论文 d e v e l o p m e n ta n ds t u d yo ft h ec o n t r o ls y s t e m b a s e do np c ib u sf o rm e c h a t r o n i c sp r o d u c t s a b s t r a c t t h ist h e sism a in l yd is c u s s e st h ed e v e lo p m e n tp r o c e s sa n dm e t h o do f t h ec o n t r o ls y s t e mf o rm e c h a t r o n i c sp r o d u c t s t h eh a r d w a r ec i r c u i t b a s e do np c ib u sa n dd r i v e r i n gs o f t w a r ef o rt h en u m e r ic a lc o n t r o ll a b e l m a r k i n gm a c h i n ea r ed e v e l o p e d ， t h ec o n t r o ls y s t e mi sm a d eu po fl w om a i np a r t s ：t h ed a t at r a n s f e r r i n g b a s e do np c ia n dt h es t e pm o t o rc o n l r o 】li n g t h ep u a l r a m i d t t 0 0 7 is u s e da sab r i d g eb e t w e e nt h et w op a r t s a n di t isn o to n l yb e e nu s e dt o s t o r ea n dt r a n s f e rd a t ab u ta 1s ot or e a l i z et h ec o n l i n u n i c a t i o nb e t w e e n t h em a i np r o c e s s o ra n dt h es u b o r d i n a t i v eo n e t h ed a t a - t r a n s f e rp a r tc o n s js t so ft h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r e t h ec o r eo ft h isp a r ti st h ep c ib u sj n t e r t 。a c ec h i p - p c i 9 0 5 2 。j u s tb e c a u s e t h isc h i pc h a n g e st h ec o m p l e xp c ib u sp r o t o c o lt or e l a t i v es i m p l el o c a l b u si n t e r f a c e t h eh a r d w a r ec i r c u i ti sd e s l g n e do nt h ek n o w l e d g eo f t h i s c h i p p c i 9 0 5 2p r o v i d e st h r e et y p e so fi n t e r f a c ew h i c h a r ep c ib u s 、s e r i a l e e p r o ma n dl o c a lb u s a m o n gt h e m l o c a ! b u si st h em o s ti m p o rc h n r ，r t u s om o r ea t t e n t i o ni sp a i df o ri t sd e s i g n t h es t r u c t u r e so fp c ia n d l o c a ls p a c e sh a v eb e e nd e s c r i b e di nt h ep c is p a c ec o n f i g u r a t i o ns e c t i o r a n dt h ed a t ea c c o r d i n gt ot h ea c t u a lc o n d i t i o ni ss e tu p i nt h ef o l l o w i n gs e c t i o no ft h ep a p e r ，t h ew i n d o w sd r i v e rf o rc a r d o np c ii sd e v e l o p e di no r d e rt h a tt h ec a r dc a r lw o r kw e l li nw i n d o w ss y s t e m f u r t h e r m o r e ，t h ee x i s t i n gp r o g r a mf o rl a b e lm a r k i n gm a c h i n ei sm o d i f i e d t om a k ei tf i tf o rt h en e wd e s i g n t h es t e pm o t o rc o n t r o ls y s t e mjsa l s om a d eu po ft h eh a r d w a r ea n d t h es o f t w a r e i nt h eh a r d w a r es e c t i o n 。t h em a i nc h i p sh a v eb e e ns e l e c t e d 第l l 页 山东大学硕士学位论文 b e f o r et h eh a r d w a r ec i r c u itis d e s i g n e d 1 nt h es o f t w a r es e c t i o n t h e s p e e dm o d e lo ft h es t e pm o _ ：o r isa n a y z e da n dt h em o d e a d a p t e dt ot h is p r o j e c tiss e l e c t e df i r s t l y ，a n dt h e n ，t h ea s s e m b l e ro ft h el a b e lm a r k i n g m a e h i n ei s d e v e l o p e d a f t e rt h ed e s i g no ft h ew h o l ep r o j e c t t h i ss y s t e mi st e s t e do ny p 3 6 0 l a b e 】m a r k i n gm a c h i n ea n d t h es a t is f i e dr e s u t sa r eg o t t e n k e yw o r d ：n u m e r i c a lc o n t r o l l a b e l m a r k i n gm a c b i n e ：p c ib u s ： w in d o w s d r i v e r ：s t e pm o t o r ； m e e b a t r o n jc sp r o d u c t s 第1 l i 页 山东大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 随着微处理机的性能不断提高和多媒体网络技术的不断发展，人们对微机 系统的i o 带宽不断提出更高的要求，原来的总线标准如i s a 、e i s a 等已经不 能胜任现代数据传输的要求，变成了阻塞系统性能的瓶颈，在现代的一些微机 上，这些旧的总线正在逐渐被淘汰。因此，丌发基于p c i 总线的外部扩展设备 已经成为迫在眉睫的事。 p c i ( 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 ) 总线，即部件外围互连总线，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。它是由i n t e l 公 司1 9 9 1 年首先提出的，并联合世界上多家公司成立了一个叫p c i s i g ( p c i s p e c i a li n t e r e s tg r o u p ) 来完善、推广和强化p c i 标准，p c i s i g 在1 9 9 5 年公布了 p c i 局部总线规范2 1 版本后，p c i 总线更加受到业界的重视并被越来越多的高 档微机和服务器所采用。 p c i 总线作为新一代的总线标准，具有其它总线所不具有的明显特点。它 可以提供极高的数据传输速率，工作在3 2 位、3 3 m h z 时，可以达到1 3 2 m b s 的传输速度，而工作在6 4 位、6 6 m h z 时，传输速度可以达到2 6 4 m b s i2 | ：它 具有严格的规范，这就保证了它具有良好的兼容性；符合p c i 规范的扩展卡， 可以插入任何p c i 系统可靠的工作；p c i 总线与c p u 无关，与时钟频率亦无关： 可适用于各种平台，支持多处理器和并发工作：p c i 总线还具有良好的扩展性， 通过p c i - - p c i 桥路可允许无限的扩展；p c i 总线支持即插即用；一个p c i 接口 包括一系列的寄存器，这些寄存器的信息允许计算机自动配置p c i 接口卡；p c i 总线线性突发传输；另外，p c i 总线还为未来的扩展预留了发展空间。所以， p c i 总线是一种立足现在，放眼未来的总线标准。经过近几年的发展，p c i 总 线已经成为微机系统的事实标准| 3 j i ”。 第1 页 山东大学硕士学位论文 1 2 课题的来源和意义 本课题来源于实际生产需要，数控标牌打印机是由山东大学瑞兹机电公司 研制开发的科技含量很高的机电一体化产品，在国内同行业中处于领先地位， 属于生产急需设备，现在的生产销售已初具规模，产品已销售到全国各地，市 场潜力巨大【”。 原来的数控标牌打印机和p c 的通讯主要是通过1 6 入、1 6 出光电隔离板 a c 4 1 6 1 进行的。a c 4 1 6 l 是由北京双诺测控有限公司生产的，为d b 3 7 型d 型 插座它广泛应用于各种数字量控制、数字量电平变换及输入输出，特别是在 干扰较大的应用场合或长线数字i o 。但是，由于现代计算机技术的迅猛发展， 它的应用也越来越受到限制，最主要的原因是因为这种i o 板卡是基于i s a 插 槽的，而由于受到数据传输速度的限制，这种插槽正在逐渐被淘汰，现在许多 计算机中的i s a 插槽越来越少，而有的干脆就没有，所以出现了基于i s a 的板 卡无处可插的尴尬局面。而p c i 总线作为一种面向未来的高性能的总线结构， 同i s a 总线相比无疑具有更大的优势和丌发的潜力，在今后的较长一段时问内， 它将成为新的通用总线标准。所以丌发基于p c i 总线的i o 插卡是一个立足现 在、面向未来的选择。 由于现代企业生产效率的不断提高和竞争的不断加剧，企业对打印机的要 求越来越高，他们不仅对打牌速度提出了更高的要求，而且对打印机的操作界 面等还提出了新的要求，不仅要求外形美观，而且要求操作简单：另外，由于 企业的自动化生产程度越来越高，使得企业内部各个部门之间的数据交换和资 源共享越来越频繁，网络技术的使用在企业内部变得越来越普及，数控标牌打 印机作为自动化生产线的一部分，也必须满足这一要求。而原来的数控标牌打 印系统的是在d o s 下运行的，显然它已经远远不能满足这一要求。基于以上种 种原因，公司开发了基于w i n d o w s 的应用程序。 在以往各种数控打印系统中，各个步进电机的驱动和方向控制脉冲是由计 算机直接发出的。在d o s 环境下，由于采用的是单线程的工作机制，所以对步 进电机的运动控制不会产生什么影响，基本上可以实现控制目的：但是，当工 作在w i n d o w s 环境下时，情况发生了变化。由于w i n d o w s 采用的是多线程，受 第2 页 山东大学硕士学位论文 分时操作和中断对控制脉冲的准确性产生了较大的影响，以至于打印机出现了 打码速度不稳定、打码位置不准确的问题，所以必须对原有的步进电机控制脉 冲的发送机制进行修改，实现专门的单片机对打印机步进电机的集中控制。 基于以上各种原因，开展本课题一基于p c i 总线的机电产品智能控制系统 的开发研制，不仅是必要的，而且具有极大的迫切性和重要的实用价值。 1 3 课题的主要思路和要完成的主要工作 在说明本课题的主要思路之前，有必要对现有的标牌打印机的w i n d o w s 控 制原理叙述一下。 为了实现标牌打印机在w i n d o w s 下的控制，山东瑞兹机电科技公司开发了 基于w i n d o w s 的数控标牌打印系统，该系统的主要原理是首先对要打印的标牌 内容进行识别分析，确定要打印的字符类型和彼此之间的距离，然后将这些距 离换算成打印机各个步进电机要运行的方向和步数，最后根据这些数据以及步 进电机的升降速特性，直接向步进电机的控制部分发送方向控制脉冲来控制步 进电机的运行，从而完成打印过程。按照现在的设计思想，很显然，这种控制 方式需要改变。其中，最根本的一点是要将步进电机的控制权由p c 机转移到 专门设计的单片机上来。为了达到这个目的，我们采用了如下的控制方案：先 由p c 机处理打印系统中编辑的标牌，使它将编辑内容转换为各个电机要实际 运行的步数和方向控制数据，等所有的数据生成以后，将它们传送到双口r a m 中去，再控制双口黜址 另一端的单片机工作，使单片机用这些数据来控韦0 步 进电机，完成打印过程。 从上面的分析可以知道，本课题主要包括两项主要任务，是p c i 总线控 制卡部分，它的主要工作是要将计算机中的数据传输出来。二是标牌打印机的 控制部分，它的主要工作是控制步进电机按照一定的顺序运行。三是试验部分， 在数控标牌打印机上完成系统的测试工作。 所以，需要完成的具体的浅容如下： 1 p c i 总线接口部分的设计。包括： ( 1 ) p c i 总线控制方案的确定 第3 页 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) p c i 总线控制器以及用户逻辑各种器件的选择 ( 3 ) p c i 总线插卡硬件逻辑连线的完成 ( 4 ) p c i 9 0 5 2 配置空间的实现 f 5 ) 总线控制卡w i n d o w s 驱动程序的开发 2 标牌打印机控制部分的实现 ( 1 ) 数控标牌打印系统的修改和控制数据的生成 ( 2 ) 主控c p u 的选择 ( 3 ) 控制系统的硬件设计 ( 4 ) 步进电机驱动程序的丌发 3 应用考核 ( 1 ) 双口r a m 的测试 ( 2 ) 数控标牌打印机控制部分的测试 ( 3 ) 步进电机控制数据的测试 ( 4 ) 整套系统的测试运行及试验结果 第4 页 山东大学硕士学位论文 2 p c i 总线数据传输部分的硬件设计 p c i 总线接口的实现是本课题的关键部分，而硬件设计又是实现p c i 总线 接口的基础。只有硬件设计正确才能为以后的驱动程序开发建立平台，如果总 线接口部分的硬件设计出现问题，那么以后的一切都无从谈起。因此，在硬件 设计以前必须对p c i 总线以及要选用的芯片要有充分的了解。 2 1p c i 总线接口实现的主要方法 实现p c i 总线接口的方法有多种，设计者可以根据实现的难度、成本以及 板卡的尺寸限制等实际情况加以选择。 ( 1 ) 采用专用的软件进行p c i 接口设计【6 1 目前，许多国外的芯片生产厂家为他们的可编程器件提供了专门的软件用 于p c i 接口的设计，如欲用x i l i n x 公司的f p g a 来实现p c i 总线接口设计，则 可以使用x i l i n x 提供的l o g i c o r e p c i 3 2 i n t e r f a c e 来进行设计。l o g i c o r e 为用 户提供真正的3 2 3 3 m h z 的p c i 总线接口设计，它包括适用于3 3 v x c 4 0 0 0 x l t 系列器件的p c i 3 24 0 0 0m a s t e r & s l a v ei n t e r f a c ev e r s i o n2 0 以及适用于5 v s p a r t a n 系列器件的p c i 3 2m a s t e r & s l a v ei n t e r f a c e 等。 x i l i n x 除了提供l o g i c o r e 之外，还提供启发式的开发工具和全面的技术支 持，使使用者可以非常方便容易的进行p c i 总线接口设计。设计者只要将 l o g i c o r e 同用户逻辑结合在一起就可以设计出性能比较良好的单芯片p c i 总 线接口电路板卡。因此，这种方法的特点是功能强、速度快、可靠性好，并且 占用板卡面积较少。不过它的缺点也是明显的那就是开发系统价格昂贵。 ( 2 ) 采用c p l d 或f p g a 实现p c i 接口设计1 6 i 如果用户不想购买昂贵的p c i 总线接口设计开发工具，并且对板卡的面积 要求较严格，则可以采用c p l d 或f p g a 设计自己的p c i 总线接口，这种方法 的特点是具有较高的性能价格比，并且节省板卡面积，但是对开发者的要求较 第5 页 山东大学硕士学位论文 高，不仅要求开发者具有较高的c p l e 或f p g a 设计经验，更需要对p c i 协议 有较深程度的了解。另外如果要设计的p c i 总线接口较复杂。 ( 3 ) 采用现有的总线接口芯片设计p c i 接口 目前，用户可以选择的总线接口芯片是a m c c 公司的$ 5 9 2 0 $ 5 9 3 3 ，以及 p l x 公司的p c i 9 0 5 0 p c i 9 0 5 2 。由于产品成本以及具体的性能特点，p l x 公司 的产品正在成为p c i 总线接口芯片的主流( 6 】。下面就对p c i 9 0 5 0 和p c i 9 0 5 2 进 行简单的介绍。 这两种接口芯片是专门为p c i 总线的使用者设计的，它们都可以将复杂的 复杂p c i 总线接口关系转化为简单的8 1 6 3 2 位局部总线，并且为用户提供f i f o 等硬件资源，局部总线接口关系同i s a 总线接口关系相类似，使i s a 板卡的设 计者可以很容易的针对局部总线接口关系进行p c i 总线接口的设计。 这两种芯片都只能作为总线从设备( s l a v e ) 使用，在完成基本的数据传送方 面没有大的区别，都具有突发传送、头读、可预取等功能。因为p c i 9 0 5 2 是 p c i 9 0 5 0 的换代产品所以在某些方面的功能又有些加强，主要是增加了i s a 接口，通过这些接口用户可以直接将i s a 接口的板卡直接转换为p c i 总线的板 卡；其次，增加了商电平锁存局部总线中断的功能，并且在寄存器中设置了相 应的位来实现。另外，对某些输出信号加强了驱动能力。 采用p c i 9 0 5 2 和p c i 9 0 5 0 两种芯片进行设计，其主要优点是功能强、可靠 性强，设计者可以避开复杂的p c i 接口关系，而且价格也不算太昂贵。其缺点 是芯片本身以及其所需的非易失性存储器件占用一定的板卡面积，并且设计也 缺乏一定的灵活性。 综合考虑以上几个方面，并且接合实际情况，决定采用p l x 公司的p c i 9 0 5 2 作为本课题的总线控制芯片。 2 2p c i 总线控制芯片- p c i 9 0 5 2 p c i 总线控制芯片p c i 9 0 5 2 是本课题的核心部件，对它的掌握程度是本课 题是否能够顺利的完成的关键，只有对它的各种功能和引脚定义有较为深入了 解，才有可能保证整个板卡硬件的顺利连接，才能为后面的驱动程序开发以及 第6 页 山东大学硕士学位论文 数控标牌打印机的控制部分打下基础；另外，由于p c i 总线协议的复杂性，决 定了p c i 总线控制芯片的复杂性。因此，有必要对p c i 9 0 5 2 的性能特点、引脚 定义以及配置空间进行较为详细的介绍。 2 。2 1p c i 9 0 5 2 概述 p c i 9 0 5 2 是p l x 公司继p c i 9 0 5 2 后推出的用于低成本适配器的总线目标接 口芯片。p c i 9 0 5 2 与p c i 9 0 5 0 一样提供用于适配卡的小型而高性能的p c i 总线 目标( 从属) 接口，使i s a 适配器可以迅速、低成本地转换到p c i 总线上。p c i 9 0 5 2 可以通过编程来实现同复用或者非复用的8 1 6 位的局部总线直接连接，这样可 以很方便的实现适配卡上的i o 数据传送速度从i s a 总线的8 m h z 提到到p c i 总线的的3 3 m h z 1 3 2 兆字节秒【7 1 1 引。 p c i 9 0 5 2 作为一种成熟的总线控制芯片，现在越来越受到人们的重视，其 主要功能与特性如下： ( 1 ) p c i 9 0 5 2 支持从p c i 总线到局部总线的突发内存映射或单周期的i o 映射： ( 2 ) 支持从p c i 总线到 s a 接口的8 位或1 6 位的单周期的内存或i o 访问： ( 3 ) 可以通过两个局部中断来产生一个p c i 中断，并且可以通过直接最位p c i 中断寄存器来产生p c i 中断； ( 4 ) 异步操作：p c i 9 0 5 2 的局部总线与p c i 总线的时钟相互独立运行，两总线的 异步运行方便了高、低速设备的兼容。局部总线的运行时钟频率范围o 4 0 m h z ，t t l 电平；p c i 的运行时钟频率范围o 3 3 m h 。 ( 5 ) 符合p c i 2 1 规范，支持低成本从属适配器； ( 6 ) 具有三线e e p r o m 接口，通过它可以直接根据板卡的具体要求来加载p c i 配置信息； ( 7 ) 多达五个局部总线地址空间，这五个地址空间的基地址和地址范围可以通过 e e p r o m 或主机来分别编程； ( 8 ) 提供四个片选信号，每一个片选的的基地址和空间范围可以通过e e p r o m 或主机来编程； ( 9 ) 双向f i f o ，用于零等待状态突发操作； ( 1 0 ) 支持复用和非复用的8 位、1 6 位和3 2 位通用局部总线； 第7 页 山东大学硕士学位论文 ( 1 1 ) 支持b i g l i t t l e e n d i a n 编码字节转换： ( 1 2 ) 局部总线等待状态：除了等待信号l r d y i # 用于握手之外，p c i 9 0 5 2 还有 一个内部等待产生器( 包括地址到数据周期、数据到数据周期和数据到地址 周期的等待) 1 9 】。 2 2 2p c i 9 0 5 2 的主要引脚 p c i 9 0 5 2 信号接口示意图如图2 1 所示。由图中可见，p c i 9 0 5 2 是由p c 总线接口逻辑、局部总线接口逻辑、串行e e p r o m 接口逻辑和内部逻辑组成。 下面将课题中用到的一些局部总线的主要引脚介绍一下： 2 2 2 1时钟信号 l c l k 信号是局部总线的时钟，它独立于p c i 时钟工作，工作频率可以 从0 m h z 到4 0 m h z ，大多数局部总线信号都是由这个信号驱动并且在它的上升 沿采样的，所以在设计局部总线时对它的波形和保持时间要注意观察【7 1 i o l 。 2 2 2 2 地址，数据信号 ( 1 ) l a 2 7 ：2 j l a 2 7 ：2 是将p c i 9 0 5 2 编稃为非复用模式时的地址线。 ( 2 ) l a d 3 l ：o 】 在非复用模式中，用来传输数据。 在复用模式中，这是一个3 2 位的数据地址复用的总线信号。在地址传送 阶段，l a d 2 7 ：2 提供需要的地址信号，l a d 1 ：0 信号和l b e 1 ：0 # 桂1 同，作 为8 位或1 6 位总线宽度的译码信号：在数据传送阶段，l a d 3 l ：0 1 具有和非复 用模式中相同的功能【7 】【1 0 1 。 第8 页 山东大学硕士学位论文 一a o 协q - - c b e l 3 ：0 卜叶 一i r d y 一t r d y 一 州一s t o p # - - 锄l d “ 匕+ 一d e v s e l # - 一p e r r # 一 - - 一s e r r # 一 6 一c l k - - - - - - - + 一r s t 一i n t u l - - i l o c h - - + p c i 9 0 5 2 一- - - - 一e e s k - - 串行e e d o e e p r o m + 一d t 一 一- - - 一e e c s m 一“u e - - _ | _ 一o o e - l - - 一i s a a i ：0 l - - - - 一 - - l n z 3 ：2 1 “m - - _ - 一岫1 5 ：q + 图2 - 1p c i 9 0 5 2 信号接口示意图 2 2 2 3 控制，状态信号 控制状态信号用来提供数据传送过程中的地址锁存和数据传输。 ( 1 ) a d s # a l e 当p c i 9 0 5 2 作为局部总线的主控时，在数据传送阶段，a d s # 有效表明一 次数据传送的开始：a l e 用来将l a ，l a d 提供的数据锁存到外部锁存器中。 第9 页 茎蓁变至一 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) l b e 3 ：0 】# 在地址阶段，l b e 3 ：0 # 用来表明3 2 位总线中哪些位是有效位，译码规则 见后面的具体描述。l b e 3 ：0 # 在一次数据传输之前始终保持有效。 ( 3 ) l r d y i # l r d y i # 在每一个地址空间的总线范围描述寄存器中都有它的使能位，可 以通过设置这些位来使能或者不使能l r d y i # 。如果l r d y i # 有效则表明写的 数据已经被接受或者要读的数据已经被总线从设备准备好。如果一个局部总线 信号需要插入等待状态，可以通过无效l r d y i # 来实现。l r d y i # 只有在地址到 数据或数据到数据的等待状态结束时爿被采样。如果不使能l r d y i # ，那么局 部总线的要传送的数据的长度可以通过p c i 9 0 5 2 的内部等待状态发生器来确 定。 ( 4 ) l 、瓜群 在数据传输阶段，l w 瓜# 有效用来表明数据的传输方向。因为p c i 9 0 5 2 是 局部总线的主控器，所以要向局部总线写数据时将l w r # 驱动为高电平，而要 读局部总线时，需要将它驱动为低电平。 ( 5 ) r d 撑 r d # 是一个通用的目标读输出选通信号，它的时序是由目前的总线范围描 述器来控制的。r d # 在整个数据传输阶段都有效。通常情况下，如果没有对读 选通脉冲延时计数器进行设置，则在n r a d 等待状态下，它也是保持有效的。 而在整个突发传输过程中和n r d d 等待状态中都是保持有效的。n r a d 指读操 作时，地址和数据间的等待状态：n r d d 指读操作中，数据与数据中间的等待 状态。 ( 6 ) w r # w 黜是一个通用的目标写输出选通信号，它的具体功能和工作方式同r d # 类似。 为了对这几个信号有一个更加深入的了解，图2 2 和图2 3 分别给出了单 周期读和写的时序圈f 7 1 i i o 。 第l o 页 山东大学硕士学位论文 l c l k 1 一。二j ，一：一二一 a d _ 一一 b l a s t # - - - - - - l a | 2 7 ：2 1 l a d 3 10 】 l n r ， l r d y * 二丛卿。二：- 二 j ! ! 筻j 一： 一1 石石i 一 一亩丽 “ 图2 - 2 单周期读的时序图 2 5 0 n s ， - _ _ _ = 一地d data 一面5 k 一 1 凸 t 值 图2 - 3 单周期写的时序图 2 2 3p c i 9 0 5 2 的工作过程 ( 1 ) 初始化和复位 上电过程中，p c i 9 0 5 2 的内部寄存器由p c i 总线的r s t # 信号复位，并给出 响应信号r e t r y ，在局部总线上输出l r e s e t # 信号，复位信号可以使除 b c l k o 、e e c s 、e e d i 、e e s k 和l h o l d a 之外的总线输出和i o 引脚处于浮 第1 l 页 | 二| |i = 一 删 洲 饼 圳 m = 山东大学硕士学位论文 空状态。还要检查串行e e p r o m 是否存在。p c i 总线上主控设备可以通过软件 的途径( 在n c t r l 寄存器中设置相应的位) 对p c i 9 0 5 2 进行复位，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 i 9 0 5 2 的配置寄存器， 而不能访问局部总线，直到由主设备将软件复位的位清除为止。 ( 2 ) 加载串行存储器 复位后，p c i 9 0 5 2 开始读串行e e p r o m 从而确定它是否存在，若读出的第 一位是一个低电平，则表明e e p o r m 存在，否则表明它不存在。如果读出的 第一个字为非f f f f h ，则p c i 9 0 5 2 继续读操作，表明e e p r o m 为非空，否则 认为e e p r o m 为空。在e e p r o m 不存在或为空的情况下，p c i 9 0 5 2 加载缺省 的配置数据。 ( 3 ) 片内寄存器的访问 考虑到接口设计的最大灵活性，p c i 9 0 5 2 提供了两种类型的片内寄存器， 即p c i 配置寄存器和局部配置寄存器，二者都可以出p c i 总线和串行e e p r o m 访问，也可以通过设置寄存器c n t r l 1 3 ：1 2 1 禁止e e p r o m 对它进行访问。通 过这些寄存器的正确配置使p c i 9 0 5 2 按照要求工作。关于p c i 配置空间的具体 结构，后面有较为详细的论述。 在系统b i o s 根据片内寄存器的内容为p c i 9 0 5 2 分配了一定的地址空i 训以 后，p c i 9 0 5 2 便可以根据局部配置寄存器中的内容完成相应的操作。 2 2 4p c i 9 0 5 2 的总线接口方式 通过对内部寄存器编程，p c i 9 0 5 2 可以工作在直接数据传输模式( d i r e c t s l a v eo p e r a t i o n ) 或i s a 接口模式( i s ai n t e r f a c em o d e ) ，根据本课题的需要，下 面就直接数据传输模式进行介绍。 2 2 4 1 概述 直接数据传输模式，是由p c i 总线发起，通过p c i 9 0 5 2 ，最终来访问局部 总线。在直接数据传输方式中，p c i 9 0 5 2 是p c i 总线的从设备，而对局部总线 来说它又是主设备。p c i 9 0 5 2 可以通过突发的内存映射或者单周期的i o 映射 第1 2 页 山东大学硕士学位论文 来实现对局部总线的访问。 p c i 配置寄存器用来在p c i 内存空间或者i o 空间中确定适配器基地址。 另外，局部寄存器可以实现p c i 地址到地方地址的映射。具体的映射方式，在 下面介绍。为了获得较高的数据传输速度，在p c i 突发读时，可以通过对p c i 9 0 5 2 编程来使其工作在预取状态，预取数据的大小可以是4 个、8 个或1 6 个双字。 另外，为了进一步提高传输速度，除了将p c i 9 0 5 2 编程在预取模式外， 还可以将它编程为头读( r e a d a h e a d ) 模式，由于头读模式和本课题关系不大，所 以在这里不加过多的论述。 此外，根据局部总线的不同的需要，可以通过对p c i 9 0 5 2 局部配置寄存器 的编程，使局部总线工作在8 位、1 6 位或3 2 位宽度下。 2 2 4 2 直接数据传输的机理 在直接数据传输过程中，p c i 9 0 5 2 作为局部总线的主控器，它的读写操作 是通过f i f o 来进行的。 在写传送的过程中，如果f i f o 溢出，则p c i 9 0 5 2 同p c i 总线自动断丌；在 p c i 从局部总线读入数据的过程中，当p c i 9 0 5 2 等待局部总线的数据时，它向 p c i 总线发出t r d y # 信号，直到它准备好为止。对于映射到内存空间中的读操 作，p c i 9 0 5 2 预取1 6 个双字，而如果映射到i o 空间中，p c i 9 0 5 2 并不预取要 读的数据，而是将每一的个突发读周期分为几个单周期【7 】1 1 0 。 2 2 4 3p c i 空间到局部地址空间的映射 局部地址空间共有五个地址空间一空间0 、空间l 、空间2 、空间3 和一个 扩展r o m 空间。这五个地址空间都可以映射到p c i 地址空间，主机可以像访 问自己的内存空间或i o 空间一样来访问它们。具体如何访问就牵扯到地址映 射问题，也就是如何将局部地址空间转化为p c 地址空间。要完成这种映射共 需要三组寄存器，即局部地址范围寄存器( l a s o r r 、l a s i r r 、l a s 3 r r 、 l a s 3 r r 、e r o m r r ) 、局部基地址寄存器( l a s o b a 、l a s i b a 、l a s 2 b a 、 l a s 3 b a 、e e r o m b a ) 、p c i 基地址寄存器( p c i b a r 2 、p c i b a r 3 、p c i b a r 4 、 第1 3 页 山东大学硕士学位论文 p c i b a r 5 、p c i e r b a r ) 。另外，还有第四组寄存器即总线范围描述寄存器 ( l a s o b r d 、l a s l b r d 、l a s 2 b r d 、l a s 3 b r d 和e r o m b r d l ，这组寄存器 用来对每一个局部地址空间的具体工作方式来进行具体的定义。在数据传输之 前，可以通过修改这组寄存器的配置对所用空间的工作特性来进行修改。 下面将各个寄存器的具体作用介绍一下。局部地址范围寄存器( l a s x r r ) 用来确定由p c i 地址空间映射到局部地址空间时要用得到的一些地址位，也就 是定义局部地址空间需要占用的地址范围，它的每一位与p c i 地址位一一对应， 对于需要用来译码的位写1 ，而对于那些不需要的位写0 ；地方基地址寄存器 ( l a s x b a ) 用来确定用户资源要占用的地址空间的基地址，是由用户根据自己 的具体需要确定的；p c i 基地址寄存器( p c i b a r x ) 用来确定在将p c i 地址空间 映射到局部地址空间时的基地址，它是在上电时由系统b i o s 自动分配的。 如前面所述，在p c i 复位并且加载e e p r o m 之后，由软件来具体确定用 户资源所要占用的地址空间，具体的确定方法是：先向p c i 基地址寄存器的位 写“1 ， ，这时p c i 9 0 5 2 根据需要的地址空间向地址译码不需要的地址位写“0 ”， 同时p c i 软件通过编程p c i 基地址寄存器，将p c i 地址空间映射到局部地址空 间中。具体的映射原理如图2 4 所示【7 j 0 0 1 。 2 2 4 4 数据传输宽度的确定 p c i 9 0 5 2 的主要特点之一就是可以根据用户的具体要求，通过配置数据使 每个地址空间的局部总线工作在8 位、1 6 位或3 2 位宽度，这样为设计提供了 很大的方便。p c i 9 0 5 2 的这种特性是通过局部总线端的位使能- - l b e 3 ：0 # 来实 现的。l b e 3 ：0 # 的具体工作方式和译码原理如下所示。 ( 1 ) 对于3 2 位总线，位使能用来表明在一个数据传输周期中哪一个字节是有效 的，具体的对应关系为： 位使能3 ( l b e 3 # ) - - l a d 3l ：2 4 1 位使能2 ( l b e 2 # ) - - l a d 2 3 ：1 6 1 位使能1 ( l b e i # ) - - l a d 1 5 ：8 】 位使能0 ( l b e 0 # ) - - l a d 7 ：0 1 第1 4 页 山东大学硕士学位论文 | e e p r o mj 至至多至兰三 兰 l 局部基地址寄存器( 空l n o 、1 、2 、3 ) l 卜_ 妻 鼗 ：，j f 碧 广i 赢蕊赢磊i 鬲磊_萎 j 3p c i 总线访 p c i 塾地址 f i f o s 问 4 局 6 , 1 位与 3 2 位读 部总线访问 图2 - 4 地址空间映射的原理 第1 5 页 丁引引 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 对于1 6 位总线，位使能用来提供b h e # 、l a l 和b l e # 信号，具体的对应 关系如下： 高位使能( l b e 3 ) 一l a d 【15 ：8 】 l b e 2 # 空 l b e i # 提供地址位1 ( l a l ) 低位使能( l b e 0 # ) - - l a d 7 ：0 ( 3 ) 8 位总线位使能用来译码提供l a 0 和l a l ，具体对应关系如下： l b e 3 # 空 l b e 2 # 空 l b e l # 用来提供地址位l ( l a l ) l b e 0 # 用来提供地址位1 ( l a 0 ) 在后面的p c i 接口硬件设计部分我们就可以看到，由于我们的局部总线工 作在8 位宽度下，所以要将l b e l # 和l b e 0 # 分别同局部总线的l a l 和l a 0 相连【7 i 。 2 。3p c i 总线接口部分的实现 经过上面的论述我们对p c i 9 0 5 2 有了个较为全面的了解，下面将进入总 线接口的具体实现部分。 2 3 1p c i 总线接口要实现的功能 从课题的具体要求我们可以知道，本课题的p c i 总线接口的主要任务，就 是数据传输问题，也就是如何将p c 中的数据，传输到板卡的双口r a m 中，当 然，在完成数据通讯的同时还要求实现上位机和下位机的通讯问题，即当p c 中的数据传输结束之后，必须发送相应的控制信号启动单片机的工作，用它来 控制步迸电机的运行。 第1 6 页 山东大学硕士学位论文 2 3 2p c i 9 0 5 2 和串行e e p r o m 的接口 由于用串行e e p r o m 装载p c i 9 0 5 2 的配置信息，所以在般情况下，串行 e e p r o m 是必不可少的。下面就介绍一下串行e e p r o m 同p c i 9 0 5 2 的接口电 路。 2 3 2 1 串行e e p r o m 概述 串行e e p r o m 是可在线擦除和电写入的存储器，具有体积小、数据保存可 靠、可在线改写、接口简单、功耗低