（机械电子工程专业论文）适用于虚拟测控试验平台的pci适配卡的设计与实现.pdf

撼要 虚极仪器自2 0 世纪8 0 年代诞生以来，在计算机技术、数字信号处理技术的推动下得到了长 足的发展，现在已经渗透到了测试行业的各个角落，成为第四代测试技术的标识。在传统测控实 骏室的改扩建过程中应该优先考虑这种技术。 瘫援纹嚣凌疆 孛帮软俘舞都分组成，疆搏包菇诗粪撬生枫秘数据采集卡瓣部分。数摄采集卡 是传感器和计算机之间的桥梁，是虚拟仪器的熏要组成部分。虚拟实验室希塑以最低的价格和最 适用的功能来组建虚拟试验平台，现有采集卡价格昂贵、功能结构不能完全适应测控实验室的使 罔要求，需要专门为虚拟实验察设计一块适配卡。综合比较备弛总线的特点，我髓认为p c ! 总线 速度抉、注麓稳定、技寒残熟，是本潆题的壤怂选择。 本课题选用c h 3 6 5 作为p c i 接口控制芯片，在导师的指导下完成了邋配卡功能确定和实现 方案制定、p c i 适配卡原理图和p c b 设计以及w d m 驱动秸! 序开发等研究内弈。将所设计的p c i 遗配卡插入计棼棍系统、安装突毕驱动程序娃嚣，计冀机能够正确地为适黧卡分配资源，设餐辘 正常工 搴。 关键词：p c i 总线，c h 3 6 5 ，数据采集，w d m 驱动程序 a b s t r a c t v i r t u a li n s t r u m e n t 玲h a sm a d eaq u i t e g r e a td e v e l o p m e n tu n d e rt h ei m p u l s eo fc o m p u t e r t e c h n o l o g ya n dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s st e c h n o l o g ys i n c ei t sn a i s s a n c ei n1 9 8 0 s n o wi th a sp e n e t r a t e d e a c hc o r n e ro ft e s t i n gi n d u s t r y , a n db e c o m et h es i g no ff o u r - e r at e s t i n gt e c h n o l o g y w es h o u l df i r s tt a k e 璩i st e c h n o l o g yi n t oa c c o u n ti nt h er e b u i l d i n ga n de n l a r g eo ft r a d i t i o n a lt e s tl a b o r a t o r y v i r t u a li n s t r u m e n ti sm a d eu po fs o f t w a r ea n dh a r d w a r e h a r d w a r ei n c l u d e sh o s tc o m p u t e ra n d d a t aa c q u i s i t i o nc a r d i so n eo ft h ei m p o r t a n tp a r t so fv ia st h eb r i d g eb e t w e e ns e n s o ra n dc o m p u t e r v i r t u a ll a b o r a t o r yn e e d sf o u n dv i r t u a lt e s tp l a t f o r mw i t hl o w e s tp r i c ea n dt h em o s ts u i t a b l ef u n c t i o n b u t t h ee x i s t i n gd a t aa c q u i s i t i o nc a r di sc o s t l ya n di t sf u n c t i o nc a n ta d a p tt h en e e do ft e s t i n gl a b o r a t o r y , s o d e s i g nad a t aa c q u i s i t i o nc a r ds u i t a b l ef o rv i r t u a ll a b o r a t o r yi sn e c e s s a r 孓c o m p a r et h ec h a r a c t e r i s t i co f t h ed i f f e r e n tb u s e ss y n t h e t i c a l l y ；w ec o n s i d e rp c ib u si si d e a lf o rt h i sp r o j e c tb e c a u s eo fi t s c h a r a c t e r i s t i co fs p e e dr a p i d n e s s ，c a p a b i l i t ys t a b i l i z a t i o na n dt e c h n i c a lm a t u r i t y t h i sp r o j e c tc h o o s ec h 3 6 5 ，m a d eb yn a n j i n gq i n h e n ge l e c t r i cc o l t d ，a st h ep c ii n t e r f a c e c o n t r o l l e r , c o m p l e t e dt h er e s e a r c hw o r ko ff u n c t i o nc o n f i r m a t i o n ，c a r r i e do u ts c h e m ee s t a b l i s ha n dp c b c o m p i l e dw d m d r i v e r sa n ds oo n k e y w o r d s ：p c ib u s ，c h 3 6 5 ，d a t a a c q u i s i t i o n ，w d md r i v e r 独创性声明 本人声瞬掰鼙交懿论文是我个a 在导耀拯导下送行瀚硬究工箨及彀得戆磅究戏 果。爆我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含熟他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包食为获得中因农业大学或熟它教育机构的学位或证书 磊襞蕊过静瓣辩。写我一藤王髂瓣慝恚藩零虢究所骰懿强髂荧簌均已亵论文中露了翳 确的说明并表示了谢意。 戳鲢氢摇小卒 隔碰“脚 关于论文使用授权的说明 奉a 完全了解申蓬农监大学煮关缳蜜、锼雳学整论文静蕊定，鄄；学棱有较露蘩 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可戳采用影印、缩印或扫描等懿 制手段保存、汇编学位论文。i 词意中国农业大学可以用不i 翊方式在不同媒体上发表、 簧攒学霞论文嚣垒藩或部势痰容。 ( 保密静学位论文在解密精应遵守诧协议) 研究生舔端： 导师签名： 时间：衫 m j l 司：伽 年厂y j f t 年。周l e l 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景 1 1 1 测试仪器虚拟化 长期以来，测控实验室设备、内容陈旧，实验手段落后，覆盖面小，仪器老化等现象使得传 统的测控实验室已经远不能适应当前信息化、数字化形势的要求，需要对传统的实验室进行改造； 在高校持续扩招的情况下，以往的实验设备明显不能满足使用要求，需要增加设备数量。总之， 现有测控实验室面临着改扩建的任务。 在测试仪器领域，传统仪器与计算机技术相结台，形成了一种新概念仪器虚拟仪器。1 9 8 6 年，美国n a t i o n a l i n s t r u m e n t s 公司( 以下简称n i 公司) 提出了“软件即仪器的口号”，推出了直 观的图形化软件开发平台：n i l a b v i e w ，开启了虚拟仪器的先河：随着计算机总线技术、软件 技术、数字信号处理技术的发展，虚拟仪器技术也在逐步走向成熟。虚拟仪器经过近2 0 年的发 展已经渗透到测试行业的各个角落，包括国防测试行业、制造业、医疗业等。 虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来满足各种测试、测量和 自动化的应用要求【l 】。n i 公司给虚拟仪器的定义是；虚拟仪器就是在通用计算机上加上一组软件 和必要的硬件，使用者在操作这台计算机时，就象是在操作一台专用电子仪器一样。表1 - 1 对虚 拟仪器和传统仪器的结构进行了简单的比较，从中可以看到虚拟仪器的主要特点。 表1 - 1 虚拟仪器与传统仪器结构比较 由表1 - 1 可见，虚拟仪器充分利用了通用计算机强大的计算能力和图形化的操作界面，在通 用计算机上完成了传统仪器的大部分功能，虚拟仪器必须具备两个要素： 虚拟的操作面板； 由软件实现仪器的计算机功能。 虚拟仪器作为新一代仪器，与传统仪器相比优势明显，主要体现在表1 - 2 中。 表卜2 虚拟仪器与传统仪器 t 较 中国农业大学瑚士学位论文 第章绪论 程涮控实验壅的改、扩建过程中，应该跟踪新技术，使掰新设备。随着计箨税技术的发震秘 广泛艘煺，虚擞测控技术的优势已经越来越明显。同时，由于实验宣筹建经费材限，在组建新的 灏控赛验平台辩进程孛篮该苇约藏本，搜麓离集戚壤设备，糟奢藤羲经费诖更多魏学曳露薅参与 实验。因此，在新一轮的测控安验室改造的过程中臌该优先考虑虚拟测控实验平台。 1 1 2 虚拟仪器的组成 壤撼仪器系统由簌锌氍硬释蕊大部癸缀袋，熟黼1 - 1 辫汞。箕串较律受蠢控糍采黎卡匏行恭 劳处理由采集卡采集到的数据；憾件分为计算机主机和采集卡艇部分。电脑主机是整个虚拟仪器 系凌的载薅，每一般懑翅p c 枫弗无毒鬟醒期；采集卡囊责把簧惑嚣豁赣盛落号簧递裂窀瑟主瓿 内存，是软件和测试对糠之间交换数据的桥梁。 1 2 鞲突璎捩 1 2 。1 理鸯采纂专接嗣类型 墨 一 虚拟靛蒋系统梅臻 缎建虚拟测控实验平台主饕谢两种逡襁：一是成套购买m 的开发软件和d a q 卡。这种方式 授资丈，遵是辫蠹禳多大学蘧避窝辩公镯合痒，谯辩霭黪帮珐下建立了实验室，跳鳃害蒋炎 学、上海交通大学、中山大学等醴经和n l 公司合作建立了虚拟测拄瓣验室。 禺替一种燕鼹买嘉耩麴数撰妥囊卡，秀配珏遴耀熬王控缳态分橱蓑饕帮嚣端传臻器、嫠号 调理部分来组建测控实验室。目前市场上提供这样的产品的单位有；石家庄瑞特电子公司、北京 孛科泛华铡控技术畜聚公司、天浮天波辩达誊艰公司等。一般豹赢搜主要是购买这样的测控实骏 平台。 数据采集卡是组建虚搬仪器灼主要硬件之一，蕊性能私债格将直接影响戮个虚拟仪器钓性能 帮建设蔽奉。薅藏市塌上藐够饕鲻静鼗瓣采集专主甏有：u s a 惑臻赡鼗攥袋集卡、i e e e - 1 3 9 4 接口”辟、i s a 总线的数据采集卡、p c i 0 4 总线的数据采集卡、p c i 总线的数据采集卡、p x i 接口 专。鐾经毒鍪公霹专菊灏是瑶彩缝理匏要求器窭了蕊子p c i - e 数囊莱巢卡。 u s b 接口卡。用一种连接器连按类型多种外设，一个接口编接大量的外设。连接简单速 度快t 总线掇供电源。与一般静睾行静设餐耀毙速发明显加抉。u s b l 0 叛率趟逮对迭 鲥l c m b s ，低速为1 5 m b s 。托觳的串口通讯速度提高了1 0 0 倍。h i 畦s p e e du s b 2 0 2 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 的峰值速度为4 8 0 1 v l b s 。目前u s b 已经用在p c 机的多种外设上，比如：扫描仪、数码 相机、数码摄像头、音频系统、显示器、软驱、网膏、以及1 ( 3 设备等。 i e e e 1 3 9 4 接口卡。i e e e l 3 9 4 接口堆早是a p p l e 公司开发的一个名为f i r e w i r e 的高速、 实时串行标准。它是一种高速串行总线，现有的i e e e l 3 9 4 标准支持1 0 0 m b p s 、2 0 0 m b p s 和4 0 0 m b p s 的传输速率，将来会达到8 0 0 m b p s 、1 6 0 0 m b p s 、3 2 0 0 m b p s 甚至更高，远远 超过了相对速度已经较快的u s b 接口，如此高的速率使得它可以作为硬盘、d v d 、 c d r o m 等大容量存储设备的接口。i e e e l 3 9 4 将来有望取代现有的s c s i 总线和i d e 接口，但是由于成本较高和技术上还不够成熟等原因，目前仍然只有少量使用i e e e l 3 9 4 接口的产品。 i s a 接口卡。i s a ( i n d u s t r y s t a n d a r d a r c h i t e c t u r e ) 总线也成为a t 总线，是由i n t e l 公司、 i e e e 和e i s a 集团联合开发的与i b m p c a t 原装机总线意义相近的系统总线，他具有 1 6 位数据宽度，最高工作频率8 m h z ，数据总线传输速率达到1 6 m b s ，地址总线2 4 条， 可寻址1 6 m 字节的地址空间。这种总线在现在很多p c 机上都已经很少使用，不过在一 般的工控计算机上都还保留。 p c - - 1 0 4 接口矗。它是超小型p c 微机才用的总线标准。这种超小型p c 微机由丁体积 小，结构紧凑，在各行各业都受到了欢迎，现在主要用于嵌入式系统中。 p c i 接口卡。p c i 接口卡以其传输速率高、多总线共享、独立于c p u 、支持即插即用等 特点已经成为局部总线的标准，p c i 插槽已经是p c 机的标准配置【2 j 。 p x i 接口卡。p x i 是p c i 总线的仪器扩展。它主要是在p c i 总线的基础上增加了星型触 发功能、同时采取了欧卡连接方式。这种接口的采集卡必须与专用的p x i 机箱配合才能 够工作，因此价格昂贵，不适合在实验室使用。p x i 采集卡在系统中被识别为p c i 设备。 综合以上的分析，各种总线接口的特点比较如表1 3 所示。 表卜3 各种总线接口方式比较 1 2 2 现有采集卡不完全适应测控实验室的适用要求 随着计算机总线技术的进步和虚拟仪器发展的要求带动了采集卡技术的发展，现有采集卡在 功能和性能上基本上能满足虚拟仪器技术的要求。但是，现有的采集卡主要是针对工业应用而设 3 计不完全适应虚拟实验室的要求。 1 多功能卡部分功能冗余，姆致债格昂责。 一般瓣多功箍舔癸蘩模摄输入、穰羧辕窭、霹鑫翡谖定增益、数字i 0 、定辩诗鼗等殛畿e 但是，般多功能采集卡输入通道较多，最少也是8 路差分输入或者1 6 路单端输入，台湾凌华 科技公司的d a q 2 2 0 8 采集卡甚至商选9 6 路单端输入。虚拟测控实验定的主要测量对象包括温度、 压力、加速度等对象，如果异j 这样静采集专将会带寒赢投入 慕利用翠豹现象。 2 ，单功能卡集成发不够蘸。 单功能采集卡功能专一，集成魔不够高。为了适应工业需求，很多公司推出了有针对性的单 功能卡，比如定时，计数卡、信号源卡、数字i o 膏、模拟输出睁等。虽然单功能卡功能强大，比 如一块专用豹定时崩* 数崇可班藏时搠寄8 个3 2 位定时，诗数器，撼选8 0 m 豹计数频率。这样静 单葫耱卡同样馥椿琴纛，不适合蠲在鹰叛涮控实验室。实验室测接实验室还经常用翻标准波形发 生器，而市场上的一台波形发生器的价格至少也在一万元以上，一姥进口的波形发生器甚至接近 2 0 万冗人民币，如果日在适配卡上集成标准波形输出功能，将为实验室省去波形发生器，节约大 量实验整建设经费。 因就，现有采集分不完全适合碰撅赛验室的使用特点，需要专门为虚拙测控赛骚室设计一袭 价格低廉、功能适用的采集卡。 1 3 磷究内容 蹴拟实验室希望以最低的价格和最适用的功能辩乇组建虚拟试验平台，现有采攘卡不完全适应 虚拟测控实验室应用特点。需要专门为虚拟实验室设计一块适配卡。综合比较各种总线的特点， 我们诀为p c i 毽线逮发块、蠖能稳建、技本成熟，楚本谖题翡理想选择。 本课题包含以下磷究内容： 一、适配卡功能参数制定 _ = ：、p c i 接口方察设计 三、芯片选取 嚣、适配卡滠囊豳设计 赢、适配卡p c b 图设计及调试 六、驱动程序设计 七、驱动程序调试及安装 淦文内窖包含| ；l 下内容： 篇一章，绪论。讲述了选题的背景和意义。 第= 章，p c i 设备开发准备知识。讲述了p c i 总线的发展历程、电气机械特性和机械特性。 第三章，适配常系统指标及实现方案。根据赡掇议器的特点，提出了本邋配卡妁功能积 第四章， 第五章， 第六章， 其镄摇耩，葬确定了安瑷方案。 适配卡硬件设计。包括芯片选择和舆体电路的设计。 驱动程序设计。讲述了驱动程序的模型，用d r i v e r w o r k s 开发p c i 总线驱动程 序的过程以及驱动攫净熬调试和安装等闯趣。 霹楚个遁配卡设诗过程避簿了慈续，撵毽了改落的秀囱。 4 第二章怼l 慧线设簧器发漤餐絮谈 2 ，1p c i 慧线戆发蓑嚣程 计算机器统犬都采用了横块化的戆梅，一个模块就烙具眷专门功能的撼件缀t 例如，皇擞、 露赣嚣、l 内接嚣毂簿。蘧蓠蔡或奄潞技术瓣蓑驻，一块薮上虿娃安装穰多个壤浃，裁寝蕊了各 模块之问传送信息的通路总线。为了能蝣让各模块厂商生产的产品自螂灵活地组合成瑟统， 黪臻了蕊缝撩建。遗黎我酝搿浚瑟慧竣帮是据簿台慕一篱灌熬蕊绞，蠡 黟慧线，s 嚣& 蕊笺、p c i 总线等。 w i n d o w s 鹜形纯爨户赛鬻蟪发震，皱最多攥镄按拳酌r 泛攫惩，要袋谴簿撬蓉缝囊誊蔫邃瓣 数据整理和传输能力。原膏的i s a 、e i s a 总臻遗远不能够适应藏个系统的带宽要求黼成为系统的 糕颈。为她，1 9 9 1 零下半零，i n t e l 公穗首先撬出了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 f a c e ) 魏糍念，势联台l 涮、c o m p a q 、a s t 、辩、a p p l e 、k 蕊、激等1 0 0 多蒙蓊撼共蒺弹籍梳惹线豁六 业，成立丁p c i 集团。p c i 总线是新测计算机总线、已缀成为局部总线的工业标准。被广澎用于 赫楼台式撬、王嚣站。鞋最疆壤疆串。一妻葵予慈! 蓦壤麓谤葵瓤系统臻褥露鬟扣 掰录。 嘲2 _ 1 典粼的基于p o i 总线的计算机结树阻 最犟戆k i 惑竣工箨手3 3 疆g 豢黎之下，铸漉逮蹙舞 3 鬻秘l e s 。警靖匏主凝囊争辩争燕 v e s a 总线。v e s a 总拣是由视频电子槲准协会提出的3 2 ：藏总线，程标准的i s a 插槽之后提供附加 滋第三聱篱疆苇接秘，额定频率鸯3 3 瓣| z ，并盈戆磐握髅怒过! s 矗蛔鼗攮键簸速率。毽楚，v 豁矗 慈绒作为龋6 楚理嚣内存总线的壶接扩展，邵v e s a 总线楚与疑璐器运行张相同的速度上的，这 意噱着如隳连接的设嚣过多，m u 很可熊发生因为设备与她骥器频率不一致蒯黪响处碟器工作躲蜒 s 象。p c i 总线则刚好相反，它独立于c p u ，允许外设与c p u 独立工作。这一特点使p c i 总线不会 因为c p u 性能的提赢蕊被淘汰，经过不断的发展最终打败了v e s a 总线成为局部总线的标准。 举期翡计算撬系统孛，囊有镌 设都楚逶进p c i 蕊线和c p u 连接，包括嚣形女遮一、磁盘骧 动器、以太网适配卡蒋。然而，随糟多媒体技术的广泛应用，尤其是3 d 游戏的出现，使得图形 数据越来越庞大，原有的p c i 总线融经不能够满足骚求，有必要专门为图形加速卡设计独立的种 接口拣溃，i n t e lp c i2 。l 舨本的蘩锻上，采用了一些叛技术进褥扩充，形成了a g p 接口1 2 1 o 随着多媒俸技拳瓣持续发展，琢来的a g p 接酗氇不堪重囊。掰的总线稼礁l l 孚之欲密，p c i e x p r e s s 应运而生。p c ie x p r e s s 颠糙性地将原来的并行p c i 总线技术改进成了串行总线技术， 将逐步成为新的局部总线标准，计算机系统结构也将随之发生根本性的变化”。 p c i 囊1 9 9 2 年趣键疆来，至今穗经有了l o 多零的援史，其潮也推出了不少敬薨版本，其发 震历程总结如图2 - 2 所示“。 ，? 仃吲- i 豳2 2p c l 总线发展历程 虽然p c i 接口在黼速图形数据处理方面的能力融经显得有些力不从心，但是在工业控制领域， p c i 接强及其升级舨零p x i 接口在缀挺一段耐闻内遥完全能满足使翊要求。未来的p c i - e 接口虽 然在骥侔上和p c i 接轻完全不一榉，毽是在软馋土鼹者帮是完全兼容静；露就，掌握p c i 接霜拜 发的软、硬件技术，尤其是掌握p c i 总线的驱动程序歼发技术仍然是未来计算机总线产品开发的 基础性t 作。 2 。2p 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，谯中央处理器鄹蛐围设蚕之闽提供了一座挢鬃，更可作为总线阉靛交通指挥攒，提赛数据聚 集蚕缱量。p c i 巷线烹要有鞋下特盎： 1 高速性。 幽p c i 总线毗3 3 蝴z 、3 2 位工作时，理论速度为：1 3 2 mb y t e s ；如果扩展剥6 6 m l l z 、6 4 位 时，黩论速度可戥达捌5 1 2 mb y t e s 。p c i 总线支持一耪拣为“线性突发”豹数援传输模式，在 这种传输方式下，舞黼设备与计算机之间从某个恕存地址开始顺露遣交换数据，逡拳 连续蔟序毒 6 址的方式，减少了很多地址操作，畿够更有效地运用总线的带宽去传输数据。 2 受好的兼容和可扩展性。 p c i 总线是一耱独立弱轿粱式熬慧线结构，嚣糖立于经理器，兔诲努设与薤瑗熊异步工莽a 这种缩构使处理器能够同时与不同的外设同时工作而不会因为工作频率不同而发生冲突，同时撮 多外设不必因为处理器的升级而升级自己；p c i 总线同时支持5 v 和3 3 v 电源环蟪，大大提高了 其自身的兼容牲。 3 + 方便易用豫。 p c i 总线支持即插即用( p l u ga n dp l a y ，p n p ) ，当计算机监测耍6 有设备存在时，会自动为其 分配软硬件资源，不黹要任何手动髑已置，适应了计辣机系统自动化、智能化的发展方向”。 2 3p c i 总线豹融气特洼和橇械特性 p c i 电气规范定义了5 v 和3 3 v 两种电源环境。这两种电源环境不能够混合使用，即在设计 p c i 设备对，只能选用5 v 或者3 3 v 瓶静电源中的释。主枫援上的p c i 槽也只能够提供这两种 宅源拜壤孛豹一静。为了避免一静电源环麓熬设器撼a 爨撬供另势一静电源饔境弱捶稽孛，p c i 规范提供了两种连撩舰范，一种适威5 v 电源环境，弼一种适应3 3 v 电源环境。两种电气规范的 设备的金手指部分图2 - 3 所示，他们的主要不同在于机械缺口的位置不一样。 图2 - 3p c i 两种电源环境设备的不同连接器 但是可以通过设计使设备上的辩件能够自动遗应5 v 或者3 3 v 的电源环境，这样的设备既熊 在5 ￥豹邀澈嚣凌下王终，叉能够在3 3 v 魏电淫环壤下工作。为了逶痘这转嚣簧，p c i 援葱提供 能够黼时适应两种电源环境静p c i 众手指，如霞2 - 4 所示”。 2 4p c i 设备配逶 垂2 _ 4 辘够逶瘟秀静亳濠赫辘辩p c i 覆釜连攘旗 为了实理弹捶鄹溺( p n p ) ，p c i 憨线专门设计了一套设备配嚣方案。设备酝嚣过程藏是系统 7 拳嚣农韭天擘辕学位论文第二章端l 憨臻设蔷开发准鬻镩谣 识别设备，并为设备分配各种资源的过程。了解p c i 设备的配置方法和配鬣过程是实现p c i 设备接 弱和开茇驱动程瘁瓣关键。 即插即用( p n p ) ，也就是p c i 设备插入系统以后不需要任何手动配置就可以使用。不满疆手 动配置莠不是说设器本龛誉霪要配置，是是设备躲酝鹫是出较斡鑫动竞戏麴。当系统痘动鞋孝，酲 鬣软件必须扫描p c i 总线，确定有哪媳p c i 设备接入系统，它们省什么资源使用需求，然后分别为 每个设备分配相应豹瓷源。为了实现配置过程，所有p c i 设备邦必须实现p c i 协议掰规定的酝蓬寄 存器。p c i 配置过穗实筒上黼箍操作系统与设备的配置寄存器交换数据的过程。 2 4 ，1 竣簧配置头区壤类蹙 配置头区域类型：p c i 规范援定了2 类p c i 配置炎区域。0 类配置头瓶定了标准p c i 设萋配 麓头的前6 4 字节的格式和用途；1 类配置区域规定y p c i p c i 桥配置头的前6 4 字 节的格式茅用途。 瓢置处理粪型：p c i 规范援寇了2 类配蓬处理类獾。0 类配置楚理规定了对瀚蘸p c i 总线上 目标设备的配置的处理方式。1 类配簧处理类型规定了对不在当前p c i 总线上， 褥是经p c i - p c i 挢涟缓貔下一缀p c i 慧线上懿鹭睬设备静凝墨静寄存器戆谤翔方 式 ”。 2 。4 2p c | 设备瓣囊空溺维毒奄 正如前所述，p c i 有两种类型的配置头区域，通常我们只关涟p c i 设备的配置结构，即0 类配 嚣头结鞫。o 类配鬟头的结构鲡表2 - 1 所示。 表2 - 1 配置空间结构 毒存爨 佼3 l 盛2 4簋2 3 链1 6搜1 5 往8位7 谯0 地址 设备标志厂商标志0 3 h h 毒襄拳寄存器鑫令帮存器8 7 珏甜h 分类代码版本标志0 1 3 h 0 8 h 内含自测试头区域类型蜒时计时c a s h 大小o f h 0 c h 基地址寄存嚣t1 3 h i 佣 基地址寄存器21 7 h 1 4 h 基避蛙毒存嚣3l b 珏1 8 疆 基地址寄存器41 伽if i 基地址寄存器52 3 h 2 0 h 基缝鞋毒存器62 7 h 2 4 h 保留 2 b h 勰h 挺留2 f 鞋2 ( j 睦 扩展r o m 级地址寄存器3 3 1 t 3 0 h 保留3 7 h 3 4 h 缳蟹3 b h 3 8 h m a x l a tm i n g n i 中断引脚中断线3 f h 3 c h 8 孛辩农鼗太拳硕士学擒蟪文鞲：章黯 基缝设簧拜鬟准备毂谖 徽露空间所支持的功能主要由袭2 - ：l 中的寄存器来实现。所育寄存器都必须w 读，并且其濑 翻氆必须能够霞表设器正在使羯的德。翦己置空闽懿6 4 字节寄存器掰戳分为一下几类； 1 设备识嚣g 毒存簇 在配置头区域内凝有5 个字段的寄存器来识别设备，所有的p c l 设备都必须察现这些寄存嚣， 以方便配置软件能够j i e 确地读取它们。 厂袁耩卷鬻存爨( v e n d o r 獭) ：在配置空鞠幻0 0 h 处，1 6 饿，用以括鞠墩备匏割造窝。 一个有效的v e n d o rt d 童p c ts t g 来势配，阻保谨它鹣难一甓。蠡鬃酝饕软舞驭诿寄存 器读出了o f f f h ，则表示p c i 总线未分配任何设备。 设备标志衡存器( d e v i c e l d ) ：位于配置汰的0 2 h 处，1 6 位，用以标明特定的设备，由 设蔷生产厂蒙蒯定。 蔽本耘惠嚣存器( r e v i s l o ai 挣套位于酲嚣燕黪0 8 h 跫，8 键，辩鞋振爨该凌誊黪特定蔽 本，由设备厂商自己设定，可以为0 0 h 。 配置头类型寄存器( h e a d e ri d ) 位于配鼹头的0 e h 处，8 位。该寄存瓣旨两个作用： 一是臻采标螭配詈空蠲t o h 3 f h 蕊毒髑炎型，二是薅柬檬弱设备是否暴蠢多珐姥。魏 采谖寄存器的位7 为0 ，淡示裙应匏设镰淹单功能莰备，否掰秀多翡链设备；位6 毽0 指出了1 0 h 3 f h 的布局情况。目前这6 位只有一个编码0 0 h ，对应的配置空间的布崩 如表2 - 。1 所承。 分类蓰酶锝存嚣( c l a s s 铂如) ；该寄存嚣使于0 9 i - i 0 a h 之阕，冀2 毒经。势三枣等敬 来对设备避行了分类。 2 设备控制寄存器 嬲置空间豹命令帮莓器位发出期熵应p c i 总线玲夸，提供了对设蓥鳆粗略控制。 3 。设备装态寄存器 配置空间的设备状态寄存器用子记录p c i 总线祷关的事件的状杰信息。状态辩存箍胰配置蹬 间偏够地址：0 6 h 处开始，1 6 位。 4 ，串辑控到绺襻嚣 k l 设备支持串断帮孛赣共事。簌p 秘设蚕控黼器上主要交礴个毒存嚣来衽潮谖蚕静串鞭。 中断控制引脚( i n t e r r u p tp i n ) ：该寄存器位于配置空间的3 c h 处，8 授。用以标明设备 使用哪个中断控制引脚。如果该寄存器的假和所使用的中断引脚的对应艟系如表2 - 2 所 示： 袭2 - - 2 串糖对鹅表 寄替嚣的值中断日 脚使用情况 无中断 n f i 础 积日搿 t n t c # i n 蝌 中断线控制寄襻器：该寄存器在配置空间的3 c h 处，8 ! i j ：。用以表示设鬻的中断引脚 与系统麟控翻器8 2 5 9 a 鹩灏条孛蘸线褶连，帮系统健麓鹣申赣每垂。系缝燕菜p c ! 设备 9 牵藿表整夫学疆圭攀位论文第二章愆l 慧线设备开发漆鲁鲡谖 分配资源以后就将中断向燎写入本寄存器。 5 基缝址寄存器 p c i 设备占用的地址空间可以在系统中浮动是p c i 总线的一大特点。在系统上电时，独立于设 簧雏系统软转必矮确定毒噼些设冬黝存在，强时建立一个统一瓣建蛙酸瓣关系，磐确定一个设冬 是否使用扩展r o m 。p o s t ( p o w e ro ns e l f t e s t ) 软件在引导操作系统之前必须建立一个统一的 地址映射，包括确定系统中剩余多少可用的存储器和t o 地址空阕、系统中的设备辩要多少媳址空 闯，并为所有的设备分配娩址空间。为了使地址映射能够于设备无关，拄配置空闯的头区域中安 排了6 个然地址寄存器，从1 0 h 开始，每个基地址寄存器占用4 个字节。由于x 8 6 系统分为存储器 操瘁秘i o 操作，掰敬基遗疆也劳为存储器基缝蛀帮i o 萋姥疆。每个基地自t 寄存器燕体是i o 基建 址寄存器还是存储器基地址寄存器舆体的设备而定。 2 4 3 配螽实现方式 1 配置设备瓣霜标设备豹选取 在通常的操作中，主设备都已经明确了各且标设备的地址范围，需鬻对某个设备进行操作就 将逮蛙线驱动至i 该竣备熬穗垃蓬銎之蠹，然簸该设备郝对它掰凌豹逢蛙范嚣肉嚣恁琏进行译羁。 但是，在对p c i 设备进行配置时，设备的地址还未分配，因此翻标设备没有确定的地址范围，这 时裁需要在设冬终部进行译鹩，g p 圭设备壹接选中某设器，主设餐是逶进挎i d s e l 嚣为曝电平来 选择设备的。 2 配置空间访问的具体方式 x 8 6 系统其有f o 操作帮存碚嚣操作两种方式，对酝置空间豹访问也强能够基于其中的一种方 i i ：来进行- h o s t p c i 桥将对p c i 配置空间的访问是通过i ，0 操作的方式来襄现的。如前所述，一共 蠢嚣穆辩鬟瓤稳，既鳘亳蓬鞫1 是魏先选择静方妓，瑰在掰有的产品都必须实现这种配置方式；配 麓机构2 照p c i l 0 版本所规定的配置方式。 配爨极构l 剥粥嚣令3 2 位妁姻螭曩毒存嚣来访薅嗽设萋豹麓鐾空溺豹。冀串一令毒荐器氍 傲配置地址寄存器( c o n f l g 椭r 嬲s s ) ，在计算机系统中占用阉定的端肼地址：0 c 翮h o c f b h 另外一个叫配置数据寄存器( c o n f i g - d a t a ) ，在计算机系统中占用固定的端日地址：0 c f c h o c f f h 。滔要访闽一个p c i 设备静配鬣寄存器时，分两劳进行： 第一步，将要访问的总线号、设备号、功能号、双字号、写划配置端口寄存器。只有当处理 器撬幸- 一次对配饕缝巯端秘寄存器静垒3 2 位驽时，配饕缝址端翻寄存器才镄存信慧。否粥，任何 对改d 端口寄存器的8 位或者1 6 位的访问都真接送到p c i 总线作为p c i i o 操作。写到配置端口寄存 器的3 2 位的售息簿会表2 - 3 的臻式： 液2 - 3 配蔫端口寄存雒格式 其中- 位3 1 为允许标志为。只有尚位3 1 为l 时，随后的h o s t 总线对配竣数据端口寄存器的数 攥转换袋辩砌配鬟空蠢静访游，否潮处理器对配置数掇端瑟寄存器静访润作为一般的瓣访翅送 垂t j p c i 总线上。 l o 第二步，执行一次对配置端口寄存器的l ，o 操作。处理器对配鬣总线数据端口寄存器的操作可 以是孽字节、双字节、或者双字，由p a 总线的字节使能信号表明吼 第三章p ci 适配卡指标及实现方案 3 1p c i 适配卡指标 参考市场上常用的采集 指标、结合虚拟测控实验室的使用要求提出了本课题采集卡的技术 指标如下： 1 通道数：6 路模拟输入，电压范围：0 1 0 v 、一5 + 5 v 。 2 输入程控增益：其中五路输入增益为1 、1 0 、1 0 0 、1 0 0 0 可选； 3 输入阻抗：大于1 m q 。 4 a d 转换时间：8 5 u $ ，最高采样频率1 2 5 k h z 。 5 电压分辨力：二进制1 2 位。 6 a d 触发方式：程序触发、定时触发、外部触发。 7 2 4 路三态丌l 电平开关量输入，输出。 8 两路1 2 位d a 输出，最小转换时间：1 6 u s 。 9 三路定时，计数器输入。 1 0 一路任意波形( 正弦波、方波、三角波) 输出，频率范围：l k h z 1 0 0 k h z 程控频率 波形选择，电压峰峰值：1 0 v ( 5 v ) 。 3 2p c i 接口实现方式 设计p c i 总线接口有两种方式：第一种方式是研究p c i 协议，利用可编程逻辑器件来实现 p c i 协议；第二种方式是利用专用p c i 控制芯片来实现p c i 协议。 1 用可编程逻辑器件实现p c i 协议 用可编程逻辑器件来实现p c i 接口的最大好处是比较灵活。对于一个确定的p c i 设计，并不 一定要实现p c i 规范中的所有功能，用可编程逻辑器件设计p c i 接口时就可以有针对性地选择实 现所需要的功能。现在几乎所有的可编程逻辑器件厂商均提供用于p c i 接口的典型p l d 产品， 有些厂家还提供用v h d l 、v i r o l o g y 、a h d l 等编制的p c i 内核出售，这为用可编程逻辑器件来 设计p c i 接口提供了一个良好的解决方案。但是，由于p c i 总线协议比较复杂，用可编程逻辑器 件实现p c i 接口难度较大，对于产量不大、工期要求较紧的设计需要投入大量的人力、物力到纷 繁复杂的逻辑验证和时序工作上，开发成本高、周期长。 2 用p c i 接口控制芯片实现p c i 协议 采用专用的p c i 接口芯片虽然不如用可编程逻辑器件实现p c i 接口灵活，但是其优越性还是 非常明显的。现在的通用接口芯片功能强大( 例如：提供f i f o ，d m a 支持等) ，已经完全能够 胜任一般的要求；使用专用接口芯片，设计者只需要使用本地地址线、数据线以及少数几个读写 控制信号，就可以实现p c i 总线与本地总线连接，方便快捷：同时，很多公司还针对自己的p c i 接口芯片提供了开发工具( 评估版和驱动程序) ，为用户开发p c i 设备降低难度和风险。可见， 采用专用接口芯片能够有效地减低接口设计的难度、缩短开发周期、减低成本，是适合本课题的 选择【昕】。 常用的p c i 控制芯片如表3 - 1 所示。c h 3 6 5 是一款高性价比的国产p c i 控制芯片、有丰富的 中文开发资料和全面的技术支持，能够实现p c i 接口的大部分功能，是本设计的理想选择。 表3 1 常用p c i 控制芯片 3 3 系统方案 根据设计指标，系统具备函数发生器功能、a d 功能、d a 功能、定时肼数功能、开关量输 入输出功能。系统框图如图3 - i 所示。 ：皇! 至叁j p t 冲- 、囊存_ 出j 一! 坠- | 刊n a - 吲* m 瞧础l 鹾引 p c i 括 剖 t i t * t * e r 塑点一卜 d a t a d a t a 多路选 铡粼静卜一 择开关 中国农业大学硕士学位论文 第霸章硬摊电路设计 第四章硬件电路设计 4 1p c i 控制芯片c h 3 6 5 简介 4 1 1 芯片简介 c h 3 6 5 是南泰 0 堪嚷予公司生产的通用p c 接西腔刳芯片，支持i o 螭日映射、存储器映 射、扩展r o m 以及中断。c h 3 6 5 将3 2 位高速p c i 总线转换为简便易用的类似于i s a 总线的8 位主动并行接1 3 ，用于制作低成本p c i 总线计算机板卡，以及将原先基于i s a 总线的扳譬升级到 p c i 总线。 c h 3 6 5 采用标准的p q f i 封装，如图4 - 1 所示。 图4 - c h 3 6 5 封装匿 c m 6 5 与p c i 总线连接方式如图4 艺所示。 圈4 - 20 h 3 6 5 与p c i 总线连接圈 1 4 4 1 2 芯片引脚定义 p c i 总线是蠡壤慧线，p c i 控案l 蕊簿帮诗箕辍圭叛上豹p c 捶攥豹连接必绥遂守p c i 蛰议掰 规定的连接方式，因此研究c h 3 6 5 芯片的引脚定义楚正确实现p c i 接口设计的前提。c h 3 6 5 芯 片包禽两组引脚：一组引脚与计算机主板上的p c i 插槽连接，用于实现p c i 接朝协议；另一组供 本地资源使用，包括1 6 位本地地址线、8 位数据线朝读写控制线。本地资源引脚的使用方法和单 冀撬麓y o 饔溪往霭方法类餐。 4 1 2 1c h 3 6 5 面向p c i 插槽的引脚 p c ! 稽提袋了1 2 4 个； 脚，餐是对予菜卞其体设备，不一定嚣聚实现p c i 协议掰定义熬嚣有 功能，也不需要使用所有的引脚。在设计p c i 接 = l 时，需要把p c i 控制器上的相应引脚和p c i 槽上的对应引脚连接，因此研究p c i 控制芯片的引脚定义比研究p c i 槽的引脚定义更适用。本课 题深入她研究了c 1 1 3 6 5 豹p c i 接疆| 脚，主要包含以下几类： l 。系统信号线 c h 3 6 5 芯片包含了p c i 设备所必须具备的两个蕊统信号线：时钟信号p c ic l k ( 芯片6 5 脚) 和 复位信号p c i _ r s t ( 芯片6 4 脚) p c i _ c l k ：系统鞋孝孛痿号，辩c h 3 6 5 设簧楚壤入镶号，其频攀最裹可这3 3m i - i z ，该引脚 鸯c h 3 6 5 设备上的设备配置和数攒传输提供时穿。除了复位信号和中断僖号外， 所有其它的p c i 信母都在p c l c l 脬信号的上升沿采样，所有别的时间参数都是 基于这个上升沿丽定义的，它为设备提供工作节拍。 p c i _ r s t ：发经信号。对c h 3 6 5 瑷器是簸入信号，使设蠡弱鑫耱赛存器恢复至l 扔始捩态。 设备的各种寄存嚣和相关信号静簸位状态请查闻p c i 规范，在上泡复位时， c h 3 6 5 设备的全部输出信号都应该驱动到第三惑。 2 ，地址，数据线 p c i 设荟是3 2 袋熬数据总线，设备器要褪供3 2 位懿数据总线毒p c i 捶耩连接；p c i 设鍪懿 数据和地址总线是分时复用的。c h 3 6 5 也必须实现遂3 2 位的数据地址总线。c 1 1 3 6 5 的数据地娥 总线定义为：p c i _ a d 3 1 v c ia d 0 ，芯片上的引脚编号为见图4 - i 所示。在f r a m e # 有效时，是 p c i a d 3 1 p c ia d 0 的地址期；i r d y # 和t r d y # 同时有效时，是p c i a d 3 1 p c ia d o 的数据期。 c h 3 6 5 设备瓣鼗据抟辕毽禽了一令溅凝售号蘩窝舔巍冀蠹瑟豹一个( 或多夺) 数攥期。逢缝整号 为一个时钟周期，该周期中p c i _ a d 3 1 p c ia d o 线上含有一个3 2 位的物理地址德 对于i o 操 作，仅需要一个字节宽度( 8 位) ；对于存储器或者l j 己置操作，则炽双字节地址( 1 6 位) 。在数据 期，p c k a d 3 1 p c ia d o 为最低字节，a d 3 1 a b 2 4 为最高字节。i r d y # 有效表示写数据稳定有效， t r i ) y # 稳定有效表示读数据稳定毒效。 3 总线命令和毕节使能信号线 总线命令和字节使能信号在c h 3 6 5 芯片上定义为：p c i _ c b e 3 p c i c b e 0 ，引脚编号分别为： 6 、1 3 、2 4 、7 4 。在地址传送期闻，逸四个引脚上传稔静是总线愈令；在数据传送期闯，他释i 传 输戆建字节使艟穰写，躅来表示在熬个数据期闻中，p c i _ a i ) 3 1 p c ia d o 上窝s 墼字帮为有效鼗据。 审翻农照大学硕士掌酸论文第霜擎磋释电路设计 4 奇偶校验信号线 0 1 3 6 5 的p c i p a r ( 芯片脚1 2 ) 为设备提供奇偶校验信息。宗通过p c ia d 3 1 p c i _ a d 0 和 p c i _ c b e 3 p c i _ c b e 0 滏嚣奇髑校验。c h 3 6 5 设备在读数蠲赣驱动p c i 礁r 。 5 接口控制储号 c h 3 6 5 包含以下5 个接口控制引脚，各引脚在芯片上的编号参考图4 1 所示。 p c i _ f r a m e ：顿耀期信譬，低电平有效。由当翦主设螽驱动，表示一次镑闯的开始和 持续鞋闻。h 溘m 掰有效表示薄线传输静开始；麓持续