（机械设计及理论专业论文）开放式数控系统pci接口电路的应用研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 以p c 技术为基础的c n c 正在发展成为世界的潮流，是数控技术最有深远意义的一 次飞跃。通常是指运动控制器( 开放式数控) 或c n c 功能模块插x 至l j p c 机总线插槽中，使 用标准的硬件平台和操作系统。而p c 与c n c 模块之间的接口技术是系统稳定和发挥高 速性能的重要保障环节。 本课题对先进的p c i 总线接口技术的应用进行了研究，针对接口设计中三个主要环 节_ p c i 总线协议、硬件接口电路实现、驱动程序开发进行了研究和讨论。阐述了p c i 总线操作的理论，提出了p c i 总线开发的具体方案，包括a s i c 方案和使用专用接口芯片 的方案，讨论了方案各自的优势和不足，做出了分析和论证。在此基础上，找到一种性 价比较高的途径一以p c l q 0 5 2 芯片为关键部件，作为开放式数控系统p c i 硬件接口电路 实现的核心，以达到研究目的。 课题依掘p c i 总线协议，把握其具有数据突发传送的功能特点，进行了实验电路开 发工作。课题研究了多路高低速的d 份和a d 转换技术，选用了t 1 b b 公司的d a c 7 7 2 4 和 a d 公司的a d c 7 8 6 5 ，研究了其组成结构、原理和控制方法。为满足开放式数控系统的 功能模块对数据通信的实时、多变( 延迟和等待) 要求，课题不仅充分利用了p c i 9 0 5 2 的 多功能特点，而且还针对硬件设备开发了总线驱动程序，这使得系统对硬件的控制更加 灵活和有效。 课题开发了基于w i n d o w s 2 0 0 0w d m 的驱动程序。w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统具有成 熟的架构体系，适用于对安全性和可靠性要求较高的工业控制系统。课题研究了w d m 驱动程序的原理和结构，讨论了用微软d e v i c ed r i v e rk i t ( d d k ) 工具开发p c i 驱动程序 的一般过程。c o m p u w a r e 公司的d r i v e r s t u d i o 软件包实现了对d d k 的封装，其开发过 程是基于c + + 即面向对象的，课题利用d r i v e r s t u d i o 驱动程序开发套件，围绕p c i 设备 初始化、配置空间访问、加操作、内存读写等功能模块进行p c i 驱动程序的编写和调 试。调试结果表明d r i v e r s t u d i o 是一种高效、实用的开发工具，缩短了p c i 总线软件的 开发周期。 p c i 总线满足开放式数控系统接口的发展要求，课题为开放式数控系统多轴运 动控制器中关键技术的研究和解决积累了一定的实践经验。 关键词：开放式数控系统；p 0 1 总线；p c i9 0 5 2 ：驱动程序 开放式数控系统p c i 接口电路的应用研究 t h e s t u d y o i lt h ec i r c u i t a p p l i c a t i o n o fp c ib u si no p e nc n c a b s t r a c t c n c ( c o m p u t e r n u m e r i c a lc o n t r o l l e r ) t a k i n gt h et e c h n i q u eo fp c j u s td e v e l o p si n t ot h e c u r r e n to fw o r l da n dw i l lb eal e a ph a v i n gt h em o s tp r o f o u n dm e a n i n gt on c t e c h n i q u e 。 u s u a l l yi tm e a n st h a tm o v e m e n tc o n t r o l l e r ( o p e nc n c l o rc n cf u n c t i o nm o d u l ep l u g s i n t op cb u ss l o t a n du s e st h es t a n d a r dh a r d w a r ep l a t f o r ma n do p e r a t es y s t e m w h i l et h e i n t c r f a c et e c h n i q u eb e t w e e np ca n dc n cm o d u l ei st h ei m p o r t a n tg u a r a n t e ef o rt h es y s t e m s t a b i l i t ya n d j t sh i 曲s p e e dp e r f o r m a n c e t h i sp a p e rc a r r i e so nt h er e s e a r c ht ot h ea p p l i c a t i o no fa d v a n c e dt e c h n i q u eo fp c ib u s a i m i n g a tt h ei n t e r f a c ed e s i g ni tr e s e a r c h e sa n dd i s c u s s e si nt h r e ev i t a ll i n k s _ 一p c ib u s p r o t o c o l ，r e a l i z a t i o no fh a r d w a r ei n t e r f a c ec i r c u i ta n dd r i v e r sd e v e l o p m e n t i te n u n c i a t e s t h et h e o r yo fp c ib u so p e r a t i o n p u t sf o r w a r dt w oc o n c r e t ep r o j e c t so fd e v e l o p p i n gt h ep c i b u st h a to n ei su s i n ga s i ca n dt h eo t h e ri su s i n gs p e c i a li n t e r f a c ec h i p d i s c u s st h ep r o j e c t e a c hf r o ma d v a n t a g et os h o r t a g ea n dd oa n a l y s i sa n da r g u m e n t a t i o n o nt h i sf o u n d a t i o n ， o n ep a t hi sf o u n dt h a th a sah i 曲e rp r o p o r t i o nw h e ni t s p r i c ec o m p a r e st o i t so w n p e r f o r m a n c e - 一t a k i n gt h ec h i po fp c i 9 0 5 2a s t h ek e ys u b a s s e m b l ya n du s ei ta st h e k e r n e lo fp c ih a r d w a r ec i r c u i ti nt h eo p e nc n c t h e n g e tt h et e c h n i q u et a r g e t a c c o r d i n gt o t h ep c ib u sp r o t o c o l ，t h i sp a p e rs t u d y st h ee x p e r i m e n tc i r c u i tw i t h h o l d i n gt h ef u n c t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fi t sa b r u p td a t at r a n s f e r t h ep a t ) e rr e s e a r c h e st h e t e c h n i q u e so f d aa n da dc o n v e r s i o n sw i t hl l i 曲o rl o w s p e e d st h r o u g l im u l t i p l ec h a n n e l s c h o o s et h ec h i pd a c 7 7 2 4o ft i - b bc o m p a n ya n dt h ec h i pa d c 7 8 6 5o fa d c o m p a n y s t u d y t h e i rs t r u c t u r e ，p r i n c i p l ea n dc o n t r o lm e t h o d s i no r d e rt os a t i s f yt h er e q u e s tt or e a l t i m ea n d l e v i t y ( d e l a ya n dw a i t ) b y f u n c t i o nm o d u l e sf o rd a t ac o m m u n i c a t i o ni no p e nc n c t h ep a p e rn o to n l ym a k e su s eo ft h ep c i 9 0 5 2m u l t i f u n c t i o nc h a r a c t e r i s t i c sw e l l a n db u t a l s od e v e l o p st h eb u sd r i v e r st ot h eh a r d w a r e e q u i p m e n t i tw i l lm a k e t h es y s t e mc o n t r o lt o h a r d w a r em o r ef l e x i b l ea n dv a l i d t h e p a p e rd e v e l o p s d r i v e r sa c c o r d i n gt ot h ew i n d o w s2 0 0 0w d m t h e o p e r a t es y s t e m o fw i n d o w s2 0 0 0h a st h em a t u r es t r u c t u r es y s t e m a n dj sc o m p l i a n tt oh i g h e rr e q u e s to f t h ei n d u s t r i a lc o n t r o l s y s t e mf o rt h es e c u r i t i e sa n dr e l i a b i l i t i c s t h ep a p e rs t u d i e st h e p r i n c i p l ea n ds t r u c t u r e so f t h ew d md r i v e r s a n dd i s c u s s e s g e n e r a lp r o c e s so fd e v e l o p i n g p c id r i v e sw i t ht h ed e v i c ed r i v e rk i t ( d d 目f r o mm i c r o s o f t n es o f t w a r ep a c k a g eo f c o m p u w a r ec o m p a n y sd r i v e r s t u d i or e a l i z e st h ee n c a p s u l a t i o nt ot h ed d k i tc o m p l i e s w i t hc + + a n di so b j e c t - o r i e n t e dn a m e l y t h ep a p e rm a k e sn s eo ft h ed r i v e r s t u d i ok i t sa n d t h e np r o g r a m s ，a d j u s t st h ep c id r i v e sa o u n dt h ef u n c t i o nm o d u l e sf o l l o w e db yt h ep c i e q u i p m e n ti n i t i a l i z a t i o n ，c o n f i g u r a t i o ns p a c ea c c e s s i n g , i 0o p e r a t i o n s ，m e m o r i e sr e a d w r i t ee t c t h er e s u l ti n d i c a t e sd f i v e r s t u d i oj sak i n do fe f f i c i e n t l y p r a c t i c a ld e v e l o p m e n t t o o l ，a n ds h o r t e n st h es o f t w a r ed e v e l o p m e n tc y c l eo fp c ib u s p c ib u ss a t i s f i e st h ed e v e l o p m e n tr e q u e s to ft h eo p e nc n c s y s t e m si n t e r f a c e t h e p a p e ra c c u m u l a t e ss o m ep r a c t i c ee x p e r i e n c eo fs t u d y i n ga n dr e s o l v i n gt h ek e yt e c h n i q u e f o ro n ek i n do f o p e n c n cs v s t e m 争_ t h em u l t i p l ea x e sm o v e m e n tc o a t r o l l e r k e yw o r d s ：o p e nc n c ；p c ib u s ；p c i 9 0 5 2 ；d r i v e r s 1 1 大连理工大学硕十学位论文 1 绪论 1 1 课题的研究背景和意义 世界上第一台数控机床诞生于1 9 5 2 年美国麻省理工学院，是一台三轴联动的立式 铣床，用于加工飞机机翼。此后，数控系统经过几代的发展，到了上世纪9 0 年代，已 经由最简单控制功能的系统飞跃到以柔性制造系统( f m s ) 和柔性制造单：g ( v m c ) 为基础 的计算机集成制造系统( c i m s ) 。 9 0 年代之后，以p c 技术为基础的c n c ( c o m p u t e rn u m e d c a lc o n t r o l l e r ) 正在发展成 为世界的潮流，它是白有数控技术以来最有深远意义的一次飞跃【1 】。以p c 为基础的 c n c 通常是指运动控制器插入到p c 机标准总线插槽中，使用标准的硬件平台和操作系 统。 目前，伴随着机床多功能化、网络化和灵活性的要求，运动控制器也紧跟时势发展 并开始具有开放性的特点。相比之下，传统数控系统越来越难以适应用户新的需要，于 是，开放式数控系统( o p e nc n c ) 开始被广泛而深入地研究。由于开放式数控系统属于运 动控制器的研究目标之一，为叙述方便，本课题提到开放式数控系统时也是指运动控制 器，反之亦然。 “开放式”的定义国际上至今还没有形成统一的标准，m e e ( m 际电气电子工程师协 会) 定义的开放式系统为：“具有下列特性的系统可以被称为开放系统：符合系统规范的 应用，可以运行在多个销售商的不同平台上，可以与其它的系统应用互操作，并且具有 一致用户交界面”【2 】。按照i e e e 的定义，开放式数控系统应该是一种模块化、标准 化、平台无关、可重构、可扩充软硬件和适宜网络操作的开放式体系结构。简单地说， 其开放式特性主要表现在应用软件、操作界面、c n c 内核的三个层次上。目前工控领 域肉的各种开放式数控系统全部或部分地实现了开放式的特性。 一般来说，可以按照用户需求选择各种功能模块，同时最关键的还是要利用已有的 技术和资源，灵活组合，创造最佳的系统性价比及可靠性。 基于带有w i n d o w s 操作系统的p c 的开放式数控系统，使得开发工作量大大减少，提 高效率，容易实现多轴、多通道控制，可以实现复杂的实时三维图形显示和自动编程等 功能【3 】。其一般有两种结构模式：一种是单处理器( 单c p u ) 模式，通常由一台计算机和 一些功能模块连接组成，充分的利用了计算机的资源，降低了电路设计的复杂性；另一 种是双c p u 模式，实行上下位机通讯，系统采用模块化结构，从而具有更大的灵活性 【4 】。无论哪一种结构模式，如何实现上、下位机之间或主机与功能模块之间的大量而高 速的数据通信即总线接口问题都是重点研究的环节。 双c p u 模式下，典型的“主机+ 从机”的开放式数控系统的体系结构如图1 1 所示。 为了适应工业场合的应用，主机选用工业p c ( i p c ) ，其主要负责后台管理及人机界面接 口( h m d 。从机选用具有强大数据处理能力的d s p ，用来实现后台实时运动控制。i p c 与d s p 之间实时通信可以通过先进、高速p c i 总线接口来实现。 开放式数控系统p c i 接口电路的应用研究 图1 1 双c p u 数控系统模型 f i g 1 1m o d e l o fd u a l c p uc n c s y s t e m 上述模型是一种比较理想的系统结构。但实际上。国内的运动控制器至少在总线接 口环节上还没有完全转变为p c i 总线，大多还是基于i s a 总线。 微处理器技术的发展让最大数据传输率只有每秒8 m b 的i s a 总线难以适应c p u 的高 速度运转。在工控机主板上虽然仍可见到i s a 插槽，但p c i 总线凭其优异的性能呈现出替 代i s a 总线的趋势【5 】。结果必将导致从前许多基于i s a 总线的运动控制器需要向p c i 总线 移植，而新的设计也需要是基于p c i 总线的。只有符合p a 标准的运动控制器，才能适应 未来发展的需要，因此x t p c i 总线接口电路的应用研究是很有价值和意义的。 本课题主要研究开放式数控系统, p c - a 接口技术。设计的实验系统电路具有1 2 位的 d a c 输出和1 4 位的a d c 输入，可分别与通用伺服电机和仿形头部件等进行接口。为了 实现计算机与p c i 设备的数据通信，课题工作的重要部分还包括对p c i 总线驱动程序的研 究和开发等。 作者所在的教研室对开放式数控系统基于d s p 的多轴运动控制器进行了研制。 本课题系统软、硬件的综合开发工作将为其实现对总线接口技术的要求奠定实践基础和 积累经验。 火连理：1 ：火学硕士学位论文 1 2 计算机总线的发展概况与现状 1 2 1 计算机总线的发展概况与现状 计算机总线就是在系统模块和模块之间或设备与设备之间进行的互联和信息传输的 一组信号线。简单地说，就是计算机各部件之间进行信息传输的公共通道。 微型计算机系统普遍采用总线结构，其优点是成本较低、组态灵活、通信能力优 越、维修方便等。采用总线标准设计生产的硬件模块兼容性强，组合容易，进而可构成 不同需求特性的微机系统。 计算机总线技术包括通道控制功能、使用方法、仲裁方法和传输方式等。当我们进 行系统的研制和外围模块的开发时必须遵循特定的总线规范。所谓总线规范，是指芯片 之间、扩展卡之间以及系统之间通过总线进行连接和传输信息时应遵循的协议。协议和 结构不同，则性能差别巨大。 计算机总线的主要职能是负责计算机各模块间的信息通讯，对总线的性能衡量就是 围绕着这一职能而定义、测试和评价的。传输率是指示总线性能的主要技术指标，总线 的可利用性、兼容性和性价比亦是重要的技术参考。 伴随着计算机技术突飞猛进的发展，计算机的体系结构发生了明显的变化。当c p u 运行速度显著提高、并行处理器结构开始出现、高速缓存得到广泛应用之后，特别急需 研制各种高速的总线用来传输数据。这样的需求推动了多总线结构的产生。 多总线结构是指在c p u 与存储器、i o 设备、扩展设备之间存在两种以上的总线。 这样做的好处是可以将低速的设备和高速的设备挂在不同的总线上，从而减少总线竞争 现象和等待时间，使系统的运行效率大大提高。多总线结构中，局部总线1 0 c a ib u s 的发展取得了令人瞩目的成绩。局部总线是在c p u 总线和系统总线之间的一级总线， 如p a 总线。它是处理器信号的延续，与处理器同步操作。扩展卡设备如果直接挂靠到 局部总线上，就能以c p u 的速度运行。由于局部总线具有非常高的数据传输率，因此 在最新的计算机技术中得到广泛的应用。 尽管p c i 总线是一种局部总线，但随着技术的不断成熟，某些应用场合它已经和系 统总线混用并已经开始代替和淘汰系统总线，包括i s a 总线、e i s a 总线和m c a 总 线等。 因此，本课题中在称呼上不再把p c i 总线叫做局部总线，而是简称p c i 总线。 1 2 2p c i 总线的产生背景 p c i 的英文名称为：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 ，即外部器件互连。p c i 总线的 产生部分原因归功于微机垄断地位的争夺。上个世纪8 0 9 代，由于毋mp c 机系统的开 放性，全世界个人计算机的制造商纷纷向m mp d 示准靠近，使m mp c 系列产品风靡全 球。同时，m i c r o s o f t 和i n t e l 也迅速成长壮大，对蓝色巨 、砸m 构成了威胁。为保护 自身商业利益，i b m 将计算机总线由i s a 总线升级蛩 m c a 总线，并在1 9 8 7 年4 月。m c a 是3 2 位总线，传输率为4 0 m b s ，可共享资源，具有多重处理能力。为了遏制其他厂商 开放式数控系统p c i 接口电路的应用研究 再度仿制，i b m 没有将m c a 总线技术标准公布，使这一高性能总线为公司专有产品。 为了打破i b m 的垄断，1 9 8 8 年9 月，c o m p a q 、a s t 、e p s o n 、h p 、o l i v e t t i 、n e c 等9 家公司联合起来，推出了一种兼容性更优越的总线e i s a 总线。该总线除了具有与 m c a 总线完全相同的功能外，还与i s a 总线1 0 0 兼容。e i s a 总线是3 2 位总线，支持多 处理器结构，具有较强的i o 扩展能力和负载能力，支持多总线主控，传输率为 3 3 m b s ，适用于网络服务器、高速图像处理、多媒体等领域。由于e i s a 总线是兼容商 共同推出的，技术标准公开，因而受到世界上众多厂家的欢迎，相继有上百种e i s a 卡 问世。 局部总线( l o c a lb u s ) 的出现是p c 体系结构的重大发展，它打破了数据的瓶颈， 使高性能c p u 的功能得以充分发挥。从结构上看，局部总线就是在i s a 总线和c p u 总线 之间增加的一级总线。由于独立于c p u 的结构，使总线形成了一种独特的中间缓冲器的 设计，从而与c p u 及时钟频率无关，因此用户可将一些高速外设，如网络适配卡、图形 卡、硬盘控制器等从i s a 总线上卸下而通过局部总线直接挂接到c p u 总线上，使之与高 速的c p u 总线相匹配，而不用担心在不同时钟频率下会引起性能上的改变。 1 9 9 1 年1 1 月，h t e l 公司在一次i n t o | 技术论坛上首次提出了将高带宽的外围功能移到 靠近c p u 的地方，并通过一个系统接口( 主桥) 与处理机，存储器连接的局部总线解决方 案，称之为“外部器件连接( 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，& p p c i 总线。i n t c l 联 合了m m 、c o m p a q 、a s t 、h p 、d e c 等1 0 0 多家公司成立 p c i 集团，全名为：p e r i p h e r a l c o m p o n e n t i n t c r c o n n e c ts p e c i a li n t e r e s tg r o u p ，简称p c i s i g ，负责编写p c i 总线规范【6 】。规 范的首版于1 9 9 2 年6 月发表。在这之后，随着p c n f i u m 处理器的发展及广泛应用，p c i 局 部总线的优越性能逐渐发挥出来，成为当今计算机系统的主流总线结构。 1 2 3 p a 总线的发展动力阴 总线是解决信息传送问题的工具，微机系统性能与总线性能是密切相关的。因此， 微机性能的提高必然要求总线性能提高。影响总线技术发展的因素很多，其中商业利润 是个很重要的因素。p c i 总线的诞生既是微机技术发展的需要，也是公司利益的需要。 总的来看，p c i 总线之所以能够发展，其动力之一是g u i ( g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ，图形 用户接口) 的发展。图形用户接口以其良好的人机界面和操作方便等优点得到了迅速发 展，以w i n d o w s 为代表的新一代操作系统风靡全球。图形界面操作系统需要大容量存储 器，因而，刺激了r a m 芯片的生产，同时也对总线提出了更高的性能要求。 例如：在多媒体视频图像的显示中，设分辨率为d 4 0 x 4 8 0 ，每秒3 0 帧，显示彩色深度 为2 4 位，则多媒体显示卡的数据吞吐量为2 7 c 铒8 m b s 。高速光纤的传输速率的吞吐量是 1 0 0 m b s 即1 2 5 m b s 。因此，l o o m b s 光纤网传输视频动态图像必须借助压缩技术。外 围设备数据吞吐量与总线传输率之间的比例关系没有严格的规定，一般一条总线可能挂 接3 巧个高速外设，因而总线的最大传输率应为高速外设的3 0 倍。可计算出多媒体视频 播放卡对总线最大传输率的要求为：2 7 6 4 8 ( 3 - - 5 ) = 8 2 9 4 4 - 1 3 8 2 4 m b s 。而i s a 总线的最大 传输率为8 m b s ，e i s a 总线为3 3 m b s ，远不能满足图形操作系统和高速网络的要求。而 大连理一 大学硕士学位论文 p c i 总线的传输率可高达1 3 2 m b s 甚至更高，可以满足以上要求。 另一推动p c i 总线发展的原因是它可以降低系统成本。用大量面向p c i 总线的处理芯 片来构造系统外围设备及板卡，其性能优越，处理能力、传输速度都很高。反之，若不 采用面向p c i 的芯片进行设计，实现同样的功能，其成本将升高1 0 1 5 。 因此，p c i 总线可以很好的满足工业需要，已成为应用最广泛的扩展标准。 1 3 论文主要工作及结构安排 本课题主要研究开放式数控系统q h p c i 总线接口电路的应用，研制了实验硬件设备 和编写软件程序。其主要的工作如下： ( 1 ) 研究p c i 总线技术的特性和传输特点； ( 2 ) 提出、比较和选择p a 总线应用开发解决方案； ( 3 ) 研究p c i 9 0 5 2 桥接芯片的体系结构、原理和应用，以此为核心设计实验系统电 路，包括原理图设计、p c b 设计等； ( 4 ) 研究多通道d 恰和a d 转换集成芯片结构、原理和接口控制； ( 5 ) 研究w i n d o w s 2 0 0 0 下的w d m - 驱动程序的原理和体系结构，创建开发p c i 驱动程序 的一般体系框架； ( 6 ) 研究d r i v c r s t u d i o 开发套件之- - d f i v c r w o r k s 软件的使用方法，以此为工具编写p c i 总线驱动程序，实现设备初始化、配置空间的访问、加端口操作和内存读写等模块的功 能。 论文的结构安排基本上遵循上述工作内容来组织，章节序号大体对应，不再赘述。 茎墼塞墼丝墨竺堕! 垫旦堕堕塑鏖旦堕 2p c i 总线技术研究【搦 如前所述，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。本章主要介绍p c i 总线相关理论技术研究。 图2 1 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 a m 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，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。 p c i 桥接器及有关接口电路都是由芯片组来实现，从而组成p c i 总线技术。 啬卤卤 p c i 总线 图2 1 p c i 系统结构框图 f i g 2 1f r a m e o fp c i s y s t e m a r c h i t e c t u r e 2 1 p c i 总线特点 p c i 传输的最大特点是突发传送，以实现处理器与外部设备、系统存储器与外部设 备之间的访问【9 】。表2 1 列出了包括突发传送在内的主要特点。 表2 1 p c i 主要特点 特点描述 独立于处理器为p c i 总线设计的器件是针对p c i 的，因此独立于处理器的升级。 8 0 个p c i 功能p c i 总线支持1 0 个电气负载，每个负载包括8 个p c i 功能 2 5 6 个p c i 总线技术规范提供对2 5 6 个p c i 总线的支持 低功耗p c i 技术规范的主要目标是实现尽可能小电流的系统设计 3 舶4 位p c i 总线支持1 3 2 m b s 和2 6 4 m b s 的峰值传送速率； 突发传送 6 6 m h z 下，“位p c i 总线传送速率可达到5 2 8 m b s 。 总线速度持p c i 总线速度3 3 m h z 和6 6 m h z 访问时间在3 3 m h z 速度下，快到6 0 n s 大连理工大学硕士学位论文 并行总线操作与处理器总线、p c i 总线和扩展总线同步 全面支持p c i 总线设备，允许同级p c i 总线访问和通过p c i - p c i 与 总线主设备支持 扩展总线桥访问主存储器和扩展总线设备。 隐式总线仲裁p c i 总线仲裁可在另一个总线设备正在p c i 总线上执行传送时发生 引脚数量少一个功能p c i 目标只有4 7 个引脚，主设备只有4 9 个引脚 传输完整性校验在地址、命令和数据上进行奇偶校验 三类地址空f f l j存储器、i ，0 和配置地址空间 自动配置配置寄存器的全位级别规范，支持自动的设备检测与配置 软件透明在与p c i 设备通信时，软件驱动程序使用相同的命令集和状态定义 2 2 p c i 总线信号及定义 2 2 1 总线信号 p c i 设备接口信号线分为必选和可选两类，图2 2 给出p c i 总线信号的分类示意。 i 地址，数据线i 错误报告信号 仲裁信号 垒垒【鱼! ；璺型 q c b e y 3 0 堡曼【2 ；翊! p a r 6 4 r e q 6 4 a c k 6 4 ， p c i 总线 l o c k 。接 设备 一 i n t a # 、 1 n m d e v s e l # i n t c 撑。 i n t d # - ， tdi t d o tck tms t r s t # 注；“聋。爰不低电平有兢其它为高电平有效 图2 2 p c i 总线信号 f i g 2 2p c i b u s s i g n a l s 由图2 2 可知，p c i 总线采用了数据、地址复用技术，分时传送数据与地址信号， 降低了总线成本。 p c i 设备按功能划分为主设备和从设备( 目标设备) ，主设备则最低需要4 9 条接口信 号线，从设备最低则需要4 7 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。 ，；l 号信$控 口 接 型壅墼笙墨竺! 望堡望皇堕盟壁塑堡塞 2 2 2 信号定义 p c i 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，如图2 2 ，主要信号说明如下。 系统信号 c l k ：系统时钟信号。是p c i 设备的工作频率，一般为3 3 m h z 或6 6 m h z 。 r s t # ：复位信号。复位时，输出信号驱动至q 三态。 地址和数据信号 a d 3 1 a d o ：地址与数据复用。一次传输由一个地址期和一个或多个数据期构成。 a b e 3 融c b e 0 # ：命令和字节使能复用信号线。在地址期中，传输的是p c i 总线命 令；在数据期，传输的是字节使能信号。d 斑 剥应第0 字节，a b i i 3 埘应第3 字节。 表2 2 给出了p c i 总线命令的详细定义。 表2 2 总线命令 c b e 3 ：0 】沓 命令类型说明 0 0 0 0中断应瞎 0 0 0 1特殊周期 0 0 1 0 肿读( 从i o 口地址中读数据) 0 0 1 1 i o 写( 向i o 口地址中写数据) 0 1 0 0 m 1 0 1保留 0 1 1 0 存储器读( 从内存空间映像中读数据) 0 1 1 1 存储器写( 向内存空间映像中写数据) 1 啡1 0 0 1保留 1 0 1 0配置读 1 0 1 1配置写 1 1 0 0 存储器多行读 1 1 0 1双地址周期 1 1 1 0存储器一行读 1 1 1 1存储器写并无效 接口控青4 信号 f r a m 础, 帧周期信号。由主设备驱动，当有效时预示着传输开始：有效期间，表 示数据传输继续进行。 i r d y # ：主设备准各好信号，由主设备驱动。与t r d y # 配合使用，二者同时有 效，才能完成数据传输。在读周期有效时，表示主设备准备接收数据。在写周期有效 时。表示数据已经出现在a d 3 1 - a d 0 。 t r d y # ：从( 目标) 设备准备好信号，由从设备驱动。同样，与i r d y # 配合使用， 二者同时有效，才能完成数据传输。在写周期有效时，表示从设备准备接收数据；在读 周期有效时，表示数据已出现在a d 3 1 a d o 。 大连理1 ：大学硕士学位论文 s 1 o 胖；终止数据传送信号。 i d s e l ：初始化设备选择信号。即在参数配置读写传输期间的片选信号。 d e v s e i - # ：设备选择信号。有效时表示驱动它的设备己成为当前的目标设备。 仲裁信号 r e q # ：总线占用请求信号。有效即表明驱动它的设备要求使用总线。 g n t # ：总线占用允许信号。有效表示申请占用总线的设备请求已获得批准。 错误报告信号 p e r r # ：数据奇偶校验错误报告信号。 s e r r # ：系统错误报告信号。报告地址奇偶错误、特殊周期命令的数据奇偶错误。 中断接口信号 i n t a # - i n t d # ：对于几个相互独立的功能集中在一起的多功能设备可使用任意的一 条或任意的几条中断线，具有很大的灵活性。 2 3p c i 总线传输协议 p c i 总线的基本传输机制是突发分组传输( 送) ，也是最突出的特点。一个突发传 输由一个地址期和一个或多个数据期组成。这里突发传输是指主桥电路( a 哪和p c i 之 间1 将多个存储器写访问合并为一次传输，然后对存储器的突发访问周期，最大限度地 提高系统性能。 对存储器空间访问，通过配置软件所提供的地址范围，桥电路加以合并。只要处理 器是进行突发操作，则发出的一系列写数据所隐含的地址顺序相同。 对j o 空间的访问只有一个数据期，不能合并i 0 空间的访问，不能执行突发传 输。 2 3 1p 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： 0 ) f r a m f - 并，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。 当数据有效时，数据资源方需要设置m d y 烈写操作) 或t r d y 般读操作) ，接收方可 以在适当的时间发出它的蕊m w 或i r d y 缩号。 矸渔m 酣信号有效后的第一个时钟上升沿是地址期的开始，此时开始传送地址信息 和总线命令。下一个时钟上升沿进入一个或多个数据期，每当m w 和t r d y # 同时有 效时，所对应的时钟上升沿就使数据在主从设备之间传送，在此期间，可由主设备或目 标设备分别利用瓜d 1 嘣和，1 1 y 嚣的无效插入等待周期。 不管是主设备还是目标设备，只要启动了数据传输，就必须完成。当最后一次数据 传输时，主设备应撤消矸渔m 瞵信号而建立i r d y # 信号，表明主设备已做好最后一次 数据传输的准备，待到目标设备发出t r d y # 信号后，就说明最后一次数据传输已完 成，f r a m e # 和i r d y # 信号均撤消，接口信号回到7 空闲状态。 茎墼塾墼叁墨丝! 望堡旦坐堕堕壁旦婴圣 2 t 3 2p c i 总线的寻址 p c i 总线定义t _ - 个物理地址空间：地址空间、内存地址空间和配置地址空 间。前两者是通常意义的地址空间。配置地址空间用于支持p c i 硬件配置，后面将具体 介绍使用方法。p c i 总线的地址译码是分散的，每个设备都有自己的地址译码逻辑，从 而省去了中央译码逻辑。下面分别讨论。 f 1 ) i o 地址空间 在i o 地址空间，3 2 位a d 线全部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以完成地址译码( 产生 d e v s e i a 馆号1 。在i o 访问中，a d i ：0 - - 方面用来产生d e v s e i 艏号，另一方面与 印e 【3 ：o 】御l 己合，表示传输的最低有效字节。 例：当a b e 0 斧有效时，a d i ：0 必须为0 0 ”；如果c b e # 1 有效时，a d 【1 ：0 】必须为 “0 1 ”。具体访问中，每当一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 ：o 】相符。如果二者矛盾，则访问无法完成。表2 3 给出了两者对应关系。 表2 3a d i ：0 与c b e 3 ：0 # 对应关系表 a d la d 0o b e 3 拱a 它e 勰c 丑既1 拱a 忸e 0 带 000 01o1 1o011 11o111 ( 2 ) 内存地址空间 通过p c i 总线访问存储器，3 2 位a d 线全部用来提供一个完整的双字地址编码( 边 界对齐) 。在地址递增方式下，每个数据周期过后地址加4 。存储器访问期间，a d i ：0 含义如下： a d i ：0 1 = 0 0 ，地址递增方式； a d i ：o 】- - - - 0 1 ，c a c h e 行切换方式： a d i ：0 1 = i x ，保留。 ( 3 ) 配置地址空间 在配置地址空间中，通过a d 2 7 ：2 1 给出一个双字边界对齐的起始地址。当某设备 收到配鬣命令时，若i d s e l 信号有效且a d i ：0 = 0 0 ，则该设备被选为访问的从设备， 否则不参与当前的通信。如果译出的命令符合某个桥电路的编号，而且a d i ：0 = 0 1 ， 则说明配置访问时针对该桥管辖的设备。 ( 4 ) 字节对齐 3 2 位的p c i 总线通常每次传输4 个字节，因而可以采用c b e 燃的低电平使能信 号来控制字节传输、字传输以及双字传输。 ( 5 ) 总线的驱动与过渡 为了避免多个设备同时驱动一个信号到p c i 总线上而产生竞争，因此在一个设备驱 动到另一个设备驱动之间设置了一个过渡期。 大连理二r ：大学硕士学位论文 c 。ko 、# l r 弋书纩q 、戈短 眦m 尉广_ 、：j ： ：厂丁1 一 a n 0 q 叵) _ 6 _ ( 二蔓二题匦x 二巫) 卜ii o r 一。r r 一。r 一。1 一 l c b e # m o w _ ni：；：厂r _ l 仃 t r d y # _ 1 f d o - - ) f i d o - - ) p d o ，是个由p n p 管理器创建的设备对象堆栈。设备 对象是操作系统为了管理硬件而创建的数据结构。处于堆栈最底层的设备对象即p d o 称为物理设备对象( p h y s i c a ld e v i c e o b j e c t ) ，简称为p d o 3 2 。 大连理工火学硕士学位论文 设备对象堆栈中间的一个对象即f d o 称为功能设备对象( f u n c t i o n a ld e v i c e o b j ) ，简称为f d o 。 在f d o 上面和下面的对象即f i d o 称为过滤