（信号与信息处理专业论文）基于pci总线的视频传输系统的研究.pdf

堕堡堡三兰查兰三兰堡圭兰堡篁兰 摘要 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 ) 局部总线是微型计算机中处理 器存储器与外围控制部件、扩展卡之间的互连接口。p c i 局部总线独立于 处理器的独特设计和其在高性能、低成本、开放性等方面的优势，使其得到 迅速普及和发展，目前已成为微型计算机事实上的总线标准，并在嵌入式计 算机和工业控制计算机方面具有广泛的应用前景。 随着微电子技术的发展，设计与制造集成电路的任务己不完全由半导体 厂商来完成。系统设计者更愿意自己设计专用的集成电路( a s l c ) 满足用户的 多样性和产品开发周期的要求。因此，现场可编程门阵列f p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t e s ) 和复杂可编程逻辑器件c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l e l o g i cd e v i c e ) 这些可编程器件得到了广泛的应用；基于这些可编程器件的 先进硬件设计技术得到了迅速的发展。 硬件描述语言的发展至今已有几十年的历史，并已成功地应用到系统的 仿真、验证和设计综合等方面。到目前为止，已出现了上百种的硬件描述语 言。上世纪8 0 年代后期由美国国防部开发的v h d l 语言，实现了广大用户 所期望的面向设计的多层次、多领域的硬件描述语言，并在1 9 8 7 年由i e e e 标准化，1 9 9 3 年被进一步修订，被定为a n s i f i e e es t d1 0 7 6 1 9 9 3 标准。 最复杂的信号莫过于视频信号，因而，对视频信号进行刖d 转换的电 路也非常复杂，p h i l i p s 公司将这些非常复杂的视频d 转换电路集成到 了一块芯片内，从而生产出功能强大的视频解码芯片s a a 7 l “，为视频信 号的数字化应用提供了极大的方便。 本课题主要研究在p c i 局部总线规范2 2 版的基础上，利用单片f p g a 实现视频解码芯片与计算机的接口，完成视频图像数据的传输。接口采用 a l t e r a 公司的低成本a c e x 系列f p g a 芯片，p c i 接口协议完全用 v h d l 实现。同时，本课题用v h d l 实现基于1 2 c 总线协议的i p 核，通过 p c i 总线接口，完成用户程序对视频解码芯片的控制 关键词p c i 局部总线；v h d l ；1 2 c 总线；f p g a ；i p 核 哈尔滨工业人学工学硕士学位论文 a b s t r a c t p c il o c a lb u si si n t e n d e df o rr i s ea sa ni n t e r c o n n e c tm e c h a n i s mb e t w e e n h i g h l yi n t e g r a t e dp e r i p h e r a lc o n t r o l l e rc o m p o n e n t s ，p e r i p h e r a la d d - i nb o a r d s ，a n d p r o c e s s o r m e m o r ys y s t e m s p r o c e s s o ri n d e p e n d e n c ea l l o w st h ep c il o c a lb u s t ob eo p t i m i z e df o rh i g hp e r f o r m a n c el o c a lb u sa r c h i t e c t u r et h a to f f e r sl o wc o s t a n da l l o w sd i f f e r e n t i a t i o n ，a n dt h i sm a d ep c il o c a lb u su s e da n dd e v e l o p e d q u i c k l y p c is u c c e s s f u l l ym e tt h e s ed e m a n d so ft h ei n d u s t r yc o m p u t e ra n d e m b e d d e dm i c r o c o n t r o l l e ra n di sn o wt h em o s t w i d e l ya c c e p t e da n di m p l e m e n t e d e x p a n s i o n s t a n d a r di nt h ew o r l d t h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r eo fi n t e g r a t ec i r c u i tn o wi sn o tt h e t a s ko f i n t e r g r a t ec i r c u i tm a n u f a c t u r e r ，w h i l et h em i c r oe l e c t r o n i ct e c h n o l o g yd e v e l o p e d t h es y s t e md e s i g n e rw o u l dl i k et od e s i g na p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ( a s i c ) t h e m s e l v e st o m e e tt h er e q u i r e m e n to fc l i e n tf o rm u l t i p l i c i t ya n dt i m e s op r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ( p l d ) a sf i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e s ( f p g a ) a n d c o o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ( c p l d ) w e r eu s e dw i d e l y t h e a d v a n c e d t e c h n o l o g y o fh a r d w a r e d e s i g nu s i n g t h e s e p r o g r a m m a b l el o g i c d e v i c e s d e v e l o p e dq u i c k l y t h eh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ( h d l ) h a db e e nd e v e l o p e df o rs e v e r a l d e c a d e s ，a n dh a db e e na p p l i e d t o s y s t e m s i m u l a t i o na n d d e s i g ns y n t h e s i s s u c c e s s f u l l y u pt on o w t h e r eh a v eb e e nm o r et h a nah u n d r e dk i n d so fh d l v h d lw a sd e s i g n e db yt h eu s a d e p a r t m e n t o fd e f e n s ei n19 8 0 sa n di tm e tt h e n e e df o rf a c et om u l t i - l a y e ra n dm u l t i f i e l dh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ，a n d w a ss t a n d a r d e db yi e e ei n19 8 7 n o wt h ev h d l l a n g u a n gw a sr e v i s e dt oi e e e 1 0 7 6 9 3 v i d e os i g n a li sm o r ec o m p l e xt h a nt h eo t h e r s ，s ot h ea dc i r c u i tf o rv i d e o s i g n a li sm o r ec o m p l e x t o o b u tp h i l i p sc o m p a n yh a di n t e g r a t e dt h e s ea d c i r c u i ti n t oac h i p t h a tw a st h em o r ep o w e r f u lv i d e od e c o d e rs a a 7111a n d t h a to f f e r e dh u g ec o n v e n i e n c ef o rt h ev i d e os i g n a lb e i n g d i g i t a l t h i sp a p e ru s e ds i n g l ef p g a c h i p t o i m p l e m e n ti n t e r f a c eb e t w e e nv i d e o d e c o d e ra n dm i c r o c o m p u t e ra n dt oa c h i e v et r a n s m i s s i o nf o rv i d e od a t a t h e f p g a c h i pw a sm a d eb ya l t e r ai n ca n dt h ep c ip r o t o c o lw a si m p l e m e n t e db y i i 哈尔滨工业大学t 学硕士学位论文 v h d l 。t h i s p a p e r a l s od e s i g n e da 1 1i pc o r eo f1 2 cb u sc o n t r o l l e ru s i n gv h d l a n da c h i e v e dt h ec o n t r o lo fv i d e od e c o d e rb yu s e r sp r o g r a m k e y w o r d s p c il o c a lb u s ；v h d l ；1 2 cb u s ；f p g a ；i pc o r e 1 1 1 哈尔滨工业大学 = 学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 本课题来源于哈尔滨工业大学图像与信息技术研究所与航天科工集团 3 5 所的台作项目图像延时器。 在以往的测试设备中，使用过许多的方法实现与计算机之间的数据通 讯，如串行通讯、使用并行端口等，效果都不太理想。而p c 局部总线传 输速度高，技术发展成熟，到目前为止也是高速数据总线。利用这次设计图 像延时器的机会，同时开发一套基于p c i 局部总线的数据传输系统，伺时 也可以推广到其它的应用领域。 1 2p c i 接口开发现状 目前开发p c i 接口大体有两种方式，是使用专用的p c i 接口芯片， 可以实现完整的p c i 主设备和目标设备接口功能，将复杂的p c i 总线接口 转换为相对简单的用户接口。用户只要设计转换后的总线接口即可，缩短了 开发周期，缺点是用户可能只用到部分p c i 接口功能，这样造成了一定的 逻辑资源浪费，也缺乏灵活性，很可能增加板上的组件，导致产品成本的增 加和可靠性的降低。二是使用可编程逻辑器件，如c p l d 、f p g a 等。采用 采用可编程逻辑器件的优点在于其灵活的可编程性，首先p c i 接口可以依 据插卡功能进行最优化，而不必实现所有的p c i 功能，这样可以节约系统 的逻辑资源。而且，用户可以将p c i 插卡上的其他用户逻辑与p c i 接口逻 辑集成在一个芯片上，实现紧凑的系统设计。当系统升级时，只需对可编程 器件重新进行逻辑设计，而无需重新设计硬件电路。现在已经有越来越多的 用户使用可编程器件进行p c i 设备的开发l l j 。 本课题设计p c i 接口控制器是作为一个转换接口工作于p c i 总线与用 户设备之间。也可以认为其主要功能是起一个桥梁作用，完成用户设备与 p c i 总线间的信息传送。 堕查堡三些奎兰三兰堡圭兰堡篁奎 ， ： 1 3 可编程逻辑器件的发展及应用 随着微电子技术的发展，设计与制造集成电路的任务己不完全由半导体 厂商来完成。系统设计者更愿意自己设计专用的集成电路( a s i c ) 满足用户的 多样性和产品开发周期的要求。因此，现场可编程门阵列f p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t e s ) 和复杂可编程逻辑器件c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l e l o g i cd e v i c e ) 这些可编程器件得到了广泛的应用；基于这些可编程器件的 先进硬件设计技术得到了迅速的发展f 朋。 7 0 年代发展起来的可编程逻辑器件( p l d ) ，发展至今己经有简单可编程 逻辑器件( s p l d ) 、复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 和现场可编程门阵歹f j ( f p g a1 等各种的器件。它们共同的特点是器件内的硬件逻辑可以借助计算机辅助设 计的方法现场编程，从而大大的提高了硬件设计的灵活性，缩短了产品开发 的时间。 现场可编程门阵列f p g a 与复杂可编程逻辑器件c p l d 都是可编程逻 辑器件，它们是在p a l ，g a l 等逻辑器件的基础之上发展起来的。同以往的 p a l g a l 等相比较，f p g a c p l d 的规模比较大，它可以替代几十甚至几 千块通用i c 芯片。这样的f p g a c p l d 实际上就是一个子系统部件。这 种芯片受到世界范围内电子工程设计人员的广泛关注和普遍欢迎。经过了十 几年的发展，许多公司都开发出了多种可编程逻辑器件。比较典型的就是 x i l i n x 公司的f p g a 器件系列和a l t e r a 公司的c p l d 器件系列，它们开发较 早，占用了较大的p l d 市场。通常来说，在欧洲用x i l i n x 的人多，在日本 和亚太地区用a l l e r a 的人多，在美国则是平分秋色。全球p l d f p g a 产 品6 0 以上是由a l t e r a 和x i l i n x 提供的。可以讲a l t e r a 和x i t i n x 共同决定 了p l d 技术的发展方向。 对用户而言，c p l d 与f p g a 的内部结构稍有不同，但用法一样，所以 多数情况下，不加以区分。f p g a c p l d 葛片都是特殊的a s i c 芯片，它 们除了具有a s i c 的特点之外，还具有以下几个优点： ( i ) 随着v 1 s i ( v e r yl a r g es c a l e 心，超大规模集成电路) 工艺的不断提 高单一芯片内部可以容纳上百万个晶体管，f p g a c p l d 芯片的规模也越 来越大，其单片逻辑门数已达到上百万门，它所能实现的功能也越来越强， 同时也可以实现系统集成。 ( 2 ) f p g a c p l d 芯片在出厂之前都做过百分之百的测试，不需要设 皇竺堡三些查兰三兰堡圭兰竺丝三 计人员承担投片风险和费用，设计人员只需在自己的实验室里就可以通过相 关的软硬件环境来完成芯片的最终功能设计。所以，f p g a c p l d 的资金 投入小，节省了许多潜在的花费。 ( 3 ) 用户可以反复地编程、擦除、使用或者在外围电路不动的情况下 用不同软件就可实现不同的功能。所以，用f p g a p l d 试制样片，能以 最快的速度占领市场。f p g a c p l d 软件包中有各种输入工具和仿真工 具，及版图设计工具和编程器等全线产品，电路设计人员在很短的时间内就 可完成电路的输入、编译、优化、仿真，直至最后芯片的制作。当电路有 少量改动时，更能显示出f f g a c p l d 的优势。电路设计人员使用f p g a c p l d 进行电路设计时，不需要具备专门的i c ( 集成电路) 深层次的知识， f p g a c p l d 软件易学易用，可以使设计人员更能集中精力进行电路设 计，快速将产品推向市场。 1 4v h d l 的发展现状 v h d l 的英文全名是v e r y h i g h s p e e di n t e g r a t e d c i r c u i th a r d w a r e d e s c r i p t i o nl a n g u a g e ，诞生于i9 8 2 年。19 8 7 年底，v h d l 被i e e e 和美国 国防部确认为标准硬件描述语言。自1 e e e 公布了v h d l 的标准版本， i e e e 1 0 7 6 ( 简称8 7 版) 之后，各e d a 公司相继推出了自己的v h d l 设计 环境，或宣布自己的设计工具可以和v h d l 接口。此后v h d l 在电子设计 领域得到了广泛的接受，并逐步取代了原有的非标准的硬件描述语言。1 9 9 3 年，i e e e 对v h d l 进行了修订，从更高的抽象层次和系统描述能力上扩展 v h d l 的内容，公布了新版本的v h d l ，即i e e e 标准的1 0 7 6 - 1 9 9 3 版本， ( 简称9 3 版) 。现在，v h d l 和v e r i l o g 作为i e e e 的工业标准硬件描述语 言，又得到众多e d a 公司的支持，在电子工程领域，己成为事实上的通用 硬件掐述语言。有专家认为，在新的世纪中，v h d l 与v e r i l o g 语言将承担 起大部分的数字系统设计任务p j 。 v h d l 主要用于描述数字系统的结构，行为，功能和接口。除了含有许 多具有硬件特征的语句外，v h d l 的语言形式和描述风格与句法是十分类似 于一般的计算机高级语言。v h d l 的程序结构特点是将一项工程设计，或称 设计实体( 可以是一个元件，一个电路模块或一个系统) 分成外部( 或称可 是部分，及端口) 和内部( 或称不可视部分) ，既涉及实体的内部功能和算法 完成部分。在对一个设计实体定义了外部界面后，一旦其内部开发完成后， 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 其他的设计就可以直接调用这个实体。这种将设计实体分成内外部分的概念 是v h d l 系统设计的基本点。应用v h d l 进行工程设计的优点是多方面 的。 与其他的硬件描述语言相比，v h d l 具有更强的行为描述能力，从而决 定了他成为系统设计领域最佳的硬件描述语言。强大的行为描述能力是避开 具体的器件结构，从逻辑行为上描述和设计大规模电子系统的重要保证。 v h d l 丰富的仿真语句和库函数，使得在任何大系统的设计早期就能查 验设计系统的功能可行性，随时可对设计进行仿真模拟。 v h d l 语句的行为描述能力和程序结构决定了他具有支持大规模设计的 分解和已有设计的再利用功能。符合市场需求的大规模系统高效，高速的完 成必须有多人甚至多个代发组共同并行工作才能实现。 对于用v h d l 完成的个确定的设训。，可以利用e d a 工具进行逻辑综 合和优化，并自动的把v h d l 描述设计转变成门级网表。 v h d l 对设计的描述具有相对独立性，设计者可以不懂硬件的结构，也 不必管理最终设计实现的目标器件是什么，而进行独立的设计。 1 5 主要研究内容 实现基于p c i 总线的视频传输，本课题主要研究的内容有： ( 1 ) 研究p c i 规范2 2 版，利用v h d l 语言描述p c i 接口状态机，内 部寄存器，内部配置空问，在一片f p g a 芯片上实现p c i 从设备接口。 ( 2 ) 设计1 2 c 总线接口控制器i p 核，整合到f p g a 芯片中利用p c i 总线实现1 2 c 总线操作，设置s a a 7 1 l l 视频解码芯片。 ( 3 ) 调试视频解码芯片s a a 7 1 1 i ，实现电视信号的解码，数字化。 ( 4 )设计应用程序，实现在w i n d o w x p 下对系统的使用。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2 1 方案的选择 第2 章系统构成 许多的可编程逻辑芯片制造商提供了p c i 局部总线接口i p 核，如 a l t e r a 公司的m e g a c o r e ，这些i p 核经过了严格的测试，可以为用户直接使 用。用户通过组合不同功能的i p 核，可以方便快捷的实现大型系统，可是 这些i p 资源并不是免费的。同时也可以找到一些免费的资源，这些免费的 i p 核往往只是提供参考，并没有经过严格的测试，所以其可用性也无法保 证。 本课题在深入研究p c i 局部总线规范2 2 版的基础上，并参考了许多免 费i p 资源，自行设计了p c i 从设备接口逻辑、配置空问、设备状态机及内 部寄存器。单独设计一个1 2 c 总线控制器i p ，即可以与p c i 从设备组合， 控制1 2 c 设备，也可以用于其它的系统。 系统的数据源选择p h i l i p s 公司的视频解码芯片s a a 7 1 1 l ，用于对视 频信号的采集。系统的实物如图2 1 所示。 图2 - 1 系统接口卡 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2 2 硬件结构 系统的硬件结构如图2 2 ，视频信号经视频解码芯片s a a 7 1 1 1 解码为数 字信号，数字视频数据流经f i f o 寄存器缓冲，用户程序经p c i 接口读取。 s a a 7 1 1 1 的设置可以通过p c i 从设备接口，经过1 2 c 总线控制器访问。全 部p c i 从设备接口、1 2 c 总线控制器、f i f o 寄存器及其它逻辑只用一片 a l t e r a 公司的低成本a c e x 系列f p g a 芯片e p l k 3 0 q c 2 0 8 实现。 1 视频解码： s a a 7 1 1 1 视频数据 a c e x1 k 3 0 p c 总线 1 ：c 总线控 制器i p 3 f k i b f y o 把i 配置空间 从设备状态机 p c i 接口逻辑 p c i 总线 图2 - 2 硬件结构 2 2 1f p g a 芯片e p l k 3 0 简介 a l t e r a 公司的a c e x1 k 系列芯片利用查找表l u t ( l o o ku pt a b l e ) 结构与嵌入式阵列块e a b s ( e m b e d d e da r r a yb l o c k ) 相结合为用户提供了 高效，低成本的器件。当利用e a b s 实现r a m 、r o m 、双口r a m 或f i f o ( f i r s ti nf i r s to u t ) 功能嚣寸，基于l u t 的逻辑为数据通道、寄存器增强、 数学运算或d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 数字信号处理提供最优化的性 能与效率。这些特点使得a c e x1 k 系列芯片适用予复杂的逻辑功能及存储 器功能，如数字信号处理、多位数据通道操作、数据传输及微控制器等需要 高性能通信的应用。基于可重新配置的c m o ss r a m 结构，a c e x1 k 系列 芯片结合实现通用门阵列宏功能所需的所有特性，以及大量的芯片管脚使得 与系统元件接口成为可能。2 5 v 核心电压的先进流程与低电压消耗使 a c e x1 k 系列芯片适用于d s l 调制解调器、低功耗交换机这样的低消耗的 晗尔滨工业大学t 学石且上学位论文 应用 4 1 。 a c e x e p l k 3 0 q c 2 0 8 芯片的特点： ( 1 ) 可编程逻辑器件，可实现低成本的单片集成s o p c ( s y s t e mo na p r o g r a m m a b l ec h i p ) 。 ( 2 ) 高密度。e p l k 3 0 q c 2 0 9 包含1 7 2 8 个逻辑单元，】4 7 个i o 管 脚。 ( 3 ) 低功耗，管脚兼容多种电压，25 v 、3 3 v 、5 v 。符合p c i 局部总 线规范2 ，2 版电气规范。 ( 4 )灵活的内部连接。 ( 5 ) 功能强大的i o 管脚，支持每个管脚独立的三态输出，每个管脚 的漏极开路输出等。 ( 6 ) a l t e r a 公司的开发系统支持软件设计及自动布线等功能。支持多 种开发工具，多种语言及提供大量的l p m ( l i b r a r yo fp a r a m e t e r i z e d m d d u l e s ) 。 2 2 2 视频解码芯片s a a 7 1 1 1 简介 最复杂的信号莫过于视频信号。视频信号中除了包含图像信号之外，还 包括了行同步信号、行消隐信号、场同步信号、场消隐信号以及槽脉冲信 号、前均衡脉冲、后均衡脉冲等。因而，对视频信号进行a d 转换的电路 也非常复杂，p h i l i p s 公司将这些非常复杂的视频a d 转换电路集成到了 一块芯片内，从而生产出功能强大的视频解码芯片s a a 7 1 1 1 ，为视频信号 的数字化应用提供了极大的方便。s a a 7 1 1 1 采用c m o s 工艺。该器件通过 简洁的f c 总线与p c 机进行连接可方便地构成s a a 7 1 1 1 的开发系统。 s a a 7 】1 l 内部包含两路模拟处理运道，可以选择视频源并可抗混叠滤波， 同时还可以进行模数变换、自动嵌位、自动增益控制、时钟产生、多制式解 码等，另外还可对亮度、对比度和饱和度进行控制。s a a 7 1 1 l 芯片中的场 同步信号v r e f 、行同步信号h r e f 、奇偶场信号r e s l 、像素时钟信号 l l c 2 都由管脚直接引出，从而省去了以往时钟同步电路的设计，其可靠性 也有所提高。系统内部锁相环技术的集成使得可靠性有了很大的提高，并极 大地降低了设计复杂度。因此，利用s a a 7 1 1 1 可为视频信号的数字化应用 ( 比如多媒体领域、数字电视、图像处理、视频监控、可视电话、视频桌面 系统等领域) 提供极大的方便1 5 1 。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 s a a 7 1 1 1 的主要特点： ( 1 ) 具有四路模拟输入和内部模拟信号源选择，如4 c v b s ，2 y c 或者f 1 y c 和2 c v b s ) 。 ( 2 ) 具有两路模拟预处理通道。 ( 3 ) 对所选择的c v b s 或y c 通道可编程为静态增益控制或自动增益 控制。 ( 4 ) 可进行白峰控制。 ( 5 )带有两路内置的模拟抗混叠滤波器。 ( 6 ) 内含两个8 位的a d 转换器。 ( 7 )内含片内时钟发生器。 ( 8 ) 具有梳状滤波功能。 ( 9 ) 行锁定系统时钟频率。 ( 1 0 ) 具有数字p l l ，可用柬进行行同步处理和时钟发生。 ( ) 所有不同的制式标准只需同一频率的晶振( 2 4 5 7 6 m h z ) 。 ( 1 2 ) 可进行行场同步信号的检测。 ( 1 3 ) 自动进行5 0 6 0 h z 场频的检测，自动进行标准p a l 制式和n t s c 制式之间的转换。 ( 1 4 ) 可对各种制式的视频信号的亮度和色度进行处理，这些制式包括 p a l b g h l ，p a l n p a l m ，n t s c m ，n t s c n 和n t s c 4 4 3 。 ( 1 5 ) 用户可编程进行亮度峰值控制和镜头孔径修正。 ( 1 6 ) 可进行亮度、色度、饱和度的片内控制。 ( 1 7 ) 具有实时状态信息输出。 ( 1 8 ) 数据输出格式多样，具体格式如下：4 ：1 ：1 的y u v 格式( 1 2 位) ： 4 ：2 ：2 的y u v 格式( 1 6 位) ；4 ：2 ：2 的y u v 格式e c c i r 一6 5 6 ( 8 位) ：5 ：6 ：5 的 r g b 格式( 1 6 位) 。 ( 1 9 ) 具有符合i e e e l l 4 9 1 标准扫描逻辑的边界扫捎测试电路。 ( 2 0 ) 可通过工1 2 c 总线接受外部控制器的完全控制。 哈尔滨工业丈学工学硕士学位论文 2 3 软件方案 图2 3 软件工作流程 w i n d o w s 操作系统，为了保证系统的安全性、稳定性和可移植性，使 其工作在保护模式下，对应用程序访问硬件资源加以限制，不允许编程者直 接与硬件设备打交道，该系统对物理机器资源具有保护特性。w i n d o w s 对 硬件的控制是通过其自身具有的一套对硬 牛访闽的机制来实现的，这就是通 常所说的设备驱动程序。w i n d o w s 就是通过驱动程序实现对硬件访问的。 如图2 3 ，用户应用程序是通过驱动程序实现对p c i 接口卡的访问。驱 动程序中生成了访问硬件设各所必须的接口函数，用户程序就是通过调用这 些函数，实现对硬件的控制。 p c i 接口设计、仿真及综合分析软件使用q u a r t u s i i4 2 版。操作系统为 w i n d o w sx ps p 2 。p c i 接口卡驱动程序设计使用w i n d r i v e r6 2 2 版。系统软 件的设计使用v i s u a lb a s i c6 0 。 2 , 4 本章小结 本章给出了基于f p g a 的p c i 局部总线接口设计的软硬件设计方案， 并对所选择的主要芯片s a a 7 1 1 1 及e p i k 3 0 做了相关介绍。 皇堑鎏三些奎耋三兰堡圭兰堡鎏兰 第3 章p c i 规范及分析 3 1p c i 局部总线简介 3 1 1 总线的基本概念 计算机总线是计算机各部件之间进行信息传输的公共通道。微型计算机 系统广泛采用总线结构，其优点是系统成本低、组态灵活、维修方便。采用 总线标准设计、生产的硬件模块兼容性强，而且通过系统总线可以方便地组 台在一起，以构成满足不同需要的微机系统。 计算机总线技术包括通道控制功能、使用方法、总裁方法和传输方式 等。任何系统的研制和外围模块的开发都必须服从一定的总线规范。不同结 构的总线性能差别很大。计算机总线的主要职能是负责计算机各模块间的信 息传输，因此，对总线性能的衡量，也是围绕着这一职能而定义、测试和比 较的。总线的传输速率是评价其性能的主要技术指标。另外，总线的可操作 性、兼容性和性能价格比，也是很重要的技术特征。 随着计算杌技术的不断发展，微型计算机的体系结构发生了显著变换。 如c p u 运行速度的提高、多处理器结构的出现、高速缓冲存储器的广泛采 用等，都要求有高速的总线来传输数据，从而出现了多总线结构。多总线结 构是指c p u 与存储器、i o 等设备之问有两种以上的总线，这样可以将慢 速设备和快速设备挂在不同的总线上，以减少总线竞争现象，使系统的效率 大大提高。 在多总线结构中，局部总线( l o c a lb u s ) 的发展最令人瞩目。局部总 线是指来自处理嚣的延伸线路，与处理器同步操作。外部设备如果直接挂到 局部总线上，就能以c p u 的速度运行。由于局部总线具有极高的数据传输 率，因此，其在c p u 与高速缓冲存储器( c a c h e ) 、c p u 与高速图形卡等需 要高速传输信息的场合得到了广泛的应用。 p c i 的含义为外设部件互连。p c i 局部总线是一种具有多路地址线和数 据线的高性能的3 2 6 4 位总线。它在高度集成的外围控制器件、外围插件板 和处理器存储器之间作为互连机构应用。p c i 局部总线首先于1 9 9 1 年由 i n t e l 公司定义，并于1 9 9 2 年联合i b m 、c o m p a q 、a s t 、h p 、n e c 等1 0 0 。 坚堡量三兰叁兰三兰堡圭耋竺篁兰 多家公司推出其1 0 版技术规范；现在最常用的2 2 修改版于1 9 9 8 年1 2 月 1 8 臼完成，1 9 9 9 年2 月发布。 。 3 。1 2p c i 局部总线的特点 p c i 局部总线能够配合要求彼此间快速访问系统存储器的适配器工作， 也能让处理器以接近自身总线全速的速度访问适配器。注意，通过p c i 局 部总线的全部读写传送都可以用突发传送。突发传送的长度由总线主设备决 定。在交易开始时，目标得到起始地址和交易类型，但没有传送长度；在主 设备准备传送每一个数据项时，主设备都会通知目标设备该数据项是否为最 后一个数据项。当最后一个数据项传送后交易即告结束。 p c i 主要特点如下： ( 1 )独立于处理器。为p c i 局部总线设计的器件是针对p c i ，而不是 针对处理器的，因此，设备的设计独立于处理器的升级。 ( 2 )每个p c i 局部总线支持大约8 0 个p c i 功能。一个典型的p c i 支 持大约1 0 个电气负载。每一个设备对于总线是一个负载，因此，每一个设 备可以包括8 个p c i 功能。 ( 3 ) 支持多达2 5 6 个p c i 局部总线。技术规范提供对2 5 6 个p c i 局部 总线的支持。 ( 4 ) 低功耗。p c i 技术规范的主要设计目标是实现电流尽可能小的系 统设计。 ( 5 ) 在全部读写传送中可实现突发传送。3 2 位p c i 局部总线在读写传 送中支持1 3 2 m b y t e 秒的峰值传送速率，对于6 4 位p c i 传送支持 2 6 4 m b y t e 秒的峰值传送速率。对于6 4 位6 6 m h z 的p c i 局部总线，传送速 率可达到5 2 8 m b b y e 秒。 ( 6 )总线速度规范2 0 版支持的p c i 局部总线速度达到了3 3 m h z ，2 1 以上版本增加了对6 6 m h z 总线操作的支持。 ( 7 ) 6 4 位总线带宽。6 4 位扩展的完全定义。 ( 8 ) 访问时间快。当停靠在p c i 局部总线上的主设备写p c i 目标时， 在3 3 m h z 总线速度下，访闽时间只需6 0 n s 。 ( 9 )并行总线操作。p c i 桥支持完全总线并行操作，与处理器总线、 p c i 局部总线和扩展总线同步使用。 ( 1 0 ) 总线主设备支持。全面支持p c i 局部总线主设备，允许同级p c i 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 局部总线访问和通过p c i - - p c i 与扩展总线桥访问主存储器和扩展总线设 备。另外，p c i 主设备能够访问驻留于总线级别较低的令个p c i 局部总线 上的目标。 ( 1 1 ) 隐式总线仲裁。p c i 局部总线仲裁能够在另一个总线主设备正在 p c i 局部总线上执行传送对发生。 ( 1 2 ) 引脚数少。总线信号使用经济，个功能的p c i 目标只有4 7 个 引脚主设备只有4 9 个引脚。 ( 1 3 ) 交易完整性校验。在地址、命令和数据上都进行奇偶校验。 ( 1 4 ) 三类地址空间。即指存储器、i o 和配置地址空间。 ( 1 5 ) 自动配置。配置寄存器的全位级剐规范，支持自动的设备检测与 配置。 ( 1 6 ) 软件透明。在与p c i 设备或面向扩展总线的同类设各通信时，软 件驱动程序使用相同的命令集和状态定义。 ( 1 7 ) 插入卡。规范包括p c i 连接器和插入卡的定义。 ( 1 8 ) 插入卡尺寸。规范定义了3 种插卡尺寸，即长卡、短卡和变高短 卡。 3 2p c i 局部总线信号定义 在一个p c i 应用系统中，如果某个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 为目标设备，至少需要4 7 条接口信号线，若作为主设备，则需要4 9 条。利 用这些信号线可以处理数据、地址，实现接口控制、仲裁及系统功能。主设 备和目标设备的信号按功能表示于图3 1 中。 3 2 1 信号类型 l n 表示输入，是标准的只作输入的信号。 o u t 表示输出，是标准的图腾柱式输出驱动信号。 t t sf t r i s t a t e ) 表示双向的三态输入输出信号。 s t s ( s u s t a i n e dt r i s t a t e ) 表示持续的并且低电平有效的三态信号。在 某一时刻只能属于个主设备并被其驱动。这种信号从有效变为浮空( 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。另一个主设 啥尔滨工业大掌工学硕士学位论文 备要想驱动它至少要等到该信号的原有驱动者将其释放( 变为三态) 一个 时钟周期之后才能开始。同时，如果在此类信号处于持续的非驱动状态时， 有新的主设备驱动它之前应采取上拉措施，并且该措施必须由中央资源提 供。 o l d ( o p e nd r a i n ) 表示漏极开路，以线或形式允许多个设备共同驱动 和分享。 地址数据线 接口控制信号 错误报告信号 仲裁信号 r 系统信号 图3 - 1p c i 局部总线信号 3 2 2p c i 局部总线信号定义 6 4 位总线 扩展信号 接口控制 中断信号 i 边界扫描 r 信号 如图3 1 ，p c i 规范定义了许多条信号线，而实现p c i 目标设备则至少 需要其中的4 7 条，本课题t g t 2 i 2 实现了这4 7 条信号线的功能a 现将这4 7 条信号的定义及功能描述如下。本课题未使用的其它信号就不在本文中描述 了，详细信息可以查阅p c i 局部总线规范a 3 2 2 1 系统信号 c l ki n ：对于所有的p c i 设备都是输入信号。其频率范围0 3 3 m h z 或0 6 6 m h z ，这一频率也称为p c i 的工作频率。对于p c i 的信 皇堡篓三些查兰三兰塑圭兰堡篁塞 号，除r s t # 、i n t a # 、i n t b # 、1 n t c # 、i n t d # 之外，其余信号都在c l k 的上升沿有效( 或采样) 。 r s t # i n ：复位信号。用来使p c i 专用的特性寄存器、配置寄存器、 定序器、主设备、目标设备以及输出驱动器恢复为初始状态。至于其它设备 复位后如何变化，不属于p c i 规范的范围。每当复位时，p c i 的全部输出信 号一般都应驱动到第三态。r e q # 和g n t # 必须同时驱动到第三态，不能在 复位期间为高或为低。为防止a d 、c b e # 及p a r 在复位期间浮动，可由中 央资源将它们驱动到逻辑低，但不能驱动到逻辑高电平。 r s t # 和c l k 可以不同步，但要保证其撤销边沿没有反弹。当设备请求 引导系统时，将响应复位，复位后响应系统引导。 3 2 2 2 地址和数据信号 a d 3 1 ：0 】t s ：地址、数据多路复用的输入输出信号，一个总线交 易由一个地址期和一个或多个数据期构成，在f r a m e # 有效时，是地址 期；在i r d y # 和t r d y # 同时有效时，是数据期。p c i 局部总线支持突发方 式的读写功能。 在f r a m e # 有效的第一个时钟周期是地址期，该周期中a d 3 1 ：0 1 线上 含有一个3 2 位的物理地址。对于i o 操作，它是一个字节地址；对于存储 器操作和配置操作，则是双字地址。 在数据期，a d 7 ：0 】为最低字节，a d 3 l ：2 4 】为最高字节。当i r d y 存有 效时，表示写数据稳定有效；而当t r d y # 有效时，表示读数据稳定有效。 在数据传输期间，i r d y # 和t r d y # 应同时有效。 c b e 1 ：0 # t s ：总线命令和字节使能多路复用信号线。在交易的地 址期中，这四条线上传输的是总线命令；在交易的数据期内，它们传输的是 字节使能信号，并在整个数据期中有效，用来确定a d 3 1 ：0 】线上哪些字节 为有效数据。c b e 0 # 应用于字节0 ( 最低字节) ，c b e 3 # 应用于字节3 ( 最高字节) 。 p a r t s ：a d 3 1 ：0 】和c b e 3 ，o j # 上的数据偶校验。通常p c i 单元都 需要奇偶校验，p a r 与a d 3 1 ：o 】有相同的时序，但延迟一个时钟，在地址 期后的一个时钟，p a r 稳定并有效：对于数据期，在写传输中p a r 在 r d y # 有效后一个时钟稳定并有效：在读传输中p a r 在t r d y # 有效后一个 时钟稳定并有效。旦p a r 有效，它必须保持有效直到数据期完成后一个 时钟。在地址期和写数据期，总线主设备驱动p a r ，在读数据期，目标设 备驱动p a r 。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 3 2 2 ，3 接口控制信号 f r a m e # s i t s ：帧周期信号。由当前主设备驱动，表示当前设备一 次交易的开始和持续时间。f r a m e # 的有效预示着总线传输的开始；在 f r a m e # 存在期间，意味着数据传输的继续进行；f r a m e # 失效后，是交易 的最后一含数据期。 i r d y # s t i s ：主设备准备好信号。由当