（电力系统及其自动化专业论文）基于pci总线的数据采集卡接口的设计与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第l i 页 a b s t r a c t t h ec o m p u t e rb u si st h ec h a n n e lo fd a t at r a n s m i s s i o ni np c i t sak e y t a c h eo fd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m c o n v e n t i o n a ld a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi s b a s e do ni s ab u s 狮坊l i m i t so fb a n d w i d t h ，i ti sd i f f i c u l tf o rt h ei s ab u st o p e r f o r mh i g h s p e e d d a t at r a n s m i s s i o n t h ep c ib u s w i t h o u t s t a n d i n g c h a r a c t e r i s t i c s ，h a sb r o k e nt h i sb o t t l e n e c ka n db e c o m et h em a i nb u si nt h e c o m p u t e r t h ep c ib u sp r o t o c o li ss o i n t r i c a c y , h o w e v e r , t h a t t h e r e sm o r e d i f f i c u r i e si nr e a l i z i n gt h ei n t e r f a c et h a ni s ab u s a n di t sh a r dt od e s i g n t h e a p p r o p r i a t ed i g i t a ll o g i c i n t e r f a c ec i r c u i tf o rp c i t h e r ea r et w o e f f e c t i v es c h e m e st or e a l i z et h ei n t e r f a c ec o n v e n i e n t l ya tp r e s e n t ：o n ei st o a d o p tc p l d o rf p g aa n dt h e0 t h e ri st oa d h i b i ts p e c i a li n t e r f a c ec h i p t h i st h e s i sd i s c u s s e st h et e c h n i q u eo nt h ei n t e r f a c eo fd a t aa c q u i s i t i o n b o a r db a s e do np c ib u s c o n t r a s th a sb e e nm a d eb e t w e e nt h ea b o v et w o s c h e m e s a n df i n n a l yt h ep a l e l e ra d h i b i t st h es e c o n ds c h e m e p l x 9 0 5 4t o d e s i g nt h ei n t e r f a c ec i r c u i tb a s e do np c ib u s m a k et h ei n t e r f a c et e s t i n g b o a r da n da l s o p l a y t h e a p p r o p r i a t e d r i v e rc o d e sf o rt h eb o a r d a f t e r r e p e a t e dt e s t i n ga n dd e b u g g i n g ，t h ei n t e r f a c ec i r c u i ti sa p p r o v e dr a t i o n a l i t c a nc o m p l e t et h ed a t at r a n s m i s s i o na n di m p l e m e n tt h ei n t e r f a c eb e t w e e nt h e p e r i p h e r a le q u i p m e n ta n dp c ib u ss u c c e s s f u l l y , w h i c hi n d i c a t e st h a t t h e s c h e m eo fa d o p t i n gs p e c i a lc h i pt or e a l i z et h ep c ii n t e r f a c ei sf e a s i b l ea n d c o n v e n i e n ti nt e c h n i q u e t h ed e t a i l e ds c h e m ea n dr e a l i z a t i o no ft h ei n t e r f a c ec i r c u i td e s i g ni s a l s od e s c r i b e dh e r e t h e p a d e r i n t r o d u c e st h ew h o l e p r o c e s s o ft h e d e v e l o p m e n ti n t w oa s p e c t s ：h a r d w a r e d e s i g n a n dd r i v e r d e v e l o p m e n t d u r i n gt h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g n ，i t f i r s tn a r r a t e st h e c a p a b l i t i e sa n d c h a r a c t e r i s t i c so fp l x 9 0 5 4 a n dt h e nd e s c r i b e st h ec i r e u i td e s i g n d u r i n g t h ed r i v e rd e v e l o p m e n t ，i tf i r s tt e l l sa b o u tt h ec h o i c eo ft h ed e v e l o pt o o l s a n dd r i v e rm o d e l s ，a n dt h e n d e p i c t s t h e p r o c e s s o ft h e d e v e l o p i n ga n d d e b u g g i n g w i t hw d md r i v e rf o rt h ei n t e r f a c eb o a r d k e yw o r d s ：p cib u sp l x 9 0 5 4p ci in t e r f a c ew d m 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 第1 章绪论 数据采集是指将温度、压力、流量、位移等模拟量采集转换成数字量后， 再由计算机进行存储、处理、显示或打印的过程。相应的系统称为数据采集系 统。 随着计算机技术的飞速发展和普及，数据采集系统迅速得到了广泛的应用。 而数据采集系统性能的好坏，主要取决于它的精度和速度。在保证精度的条件 下，应用尽可能高的采样速度，以满足实时采集实时处理和实时控制对速度的 要求。微机总线的选择则是决定数据采集系统性能很关键的一个因素。 1 1 微机总线发展综述 微机总线是计算机各模块间进行信息传输的通道，是提高微机系统性能的 一个至关重要的因素。从微型计算机诞生到现在，微机总线技术在不断发展。 常用的总线结构有如下类型：i s a 总线、m c a 总线、e i s a 总线、v e s a 局部总线、 p c i 局部总线和可选择总线等。 i s a 总线( i n d u s t r ys t a n d a r da r c h i t e c t u r eb u s ) 是i b m 公司八十年代为 i b m - p c a t 机设计的，又称a t 总线，用于a t 机主板和各接口电路板的连接。i s a 总线是1 6 位数据线、2 4 位地址线，工作频率为8 m h z ，数据传输率为8 邶s ，大 大改善了c p u 处理性能。但由于i s a 标准的限制，使得对系统总线上的i o 、存 储器的访问没有大的改进，从而在强大的c p u 处理能力与低性能的系统总线间 形成了一个瓶颈。 为打破这一瓶颈，i b m 公司推出了m c a 总线( m i c r oc h a n n e la r c h i t e c t u r e b u s ) 。m c a 总线是3 2 位数据线、3 2 位地址线，该总线最初使用在p s 2 机上， 提供突发模式，最大数据传输率为2 伽b s 。但i b m 并没有对外公开m c a 总线的 技术标准，从而限制了这一总线的普及。 e i s a 总线( e x t e n d e di n d u s t r i a ls t a n d a r da r c h it e c t u r e b u s ) 是以c o m p a q 公司为代表的九家公司联合推出、专为3 2 位p c ( p e r s o n a lc o m p u t e r ) 机设计的， 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 它与i s a 兼容。 由于i s a 、m c a 、e i s a 总线均为系统总线，受到系统总线本身性能限制，妨 碍了微机系统性能的进一步提高，仍然不能适应高档微型计算机发展的需要， 特别是多媒体技术发展的需要。 视频电子标准协会( v e s a ) 与6 0 多家公司联合推出了另一种开放的局部总 线v e s a 局部总线( v i d e oe l e c t r o n i c ss t a n d a r da s s o c i a t i o nl o c a lb u s ) ， 简称为v l 总线。v l 总线是通用局部总线标准，数据宽度为3 2 位，可扩展到6 4 位。它与c p u 同步工作，最大运行速度为6 6 m h z 或更高，其最大数据传输率为 1 3 2 m b s 。v l 总线的带宽更容易支持w i n d o w s 、网络和d o s 程序的要求，并为 多媒体技术的应用提供了条件。从c p u 与总线匹配的关系上讲，现有忆总线标 准，几乎是4 8 6 类c p u 信号的延伸，故与4 8 6 匹配最佳。但v l 总线是直接挂在 c p u 上，对c p u 芯片依赖较大，c p u 一有变动，会使v l 总线不再适应。例如 v l 总线不能支持p e n t i u m ，所以兼容性较差。 为了适应c p u 和微机性能的不断发展，i n t e 公司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( 主桥路) 与处理机存储器连接的 “局部总线”解决方案。他们将这种总线称为“外围器件互连( p e r i p h e r a l c o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ) ”总线，即p c i 总线。 p c i 局部总线与v l 总线不同，p c i 在c p u 和外部设备之间插入一个复杂的 管理层，用此协调数据传输，并提供一个一致的总线接口，形成了开放的局部 总线标准，而不依赖于c p u 芯片。p c i 总线是与c p u 异步工作的，总线上的工作 频率固定为3 3 m h z ，这样c p u 的运行速度就不会受p c i 总线设备操作速度的限制， 使p c i 总线适合于多种频率的c p u 。p c i 总线的数据宽度有3 2 位和6 4 位两种标 准，数据传输率最高分别为1 3 2 m b s 和2 6 4 m b s 。它能支持多种外设，在高频率 下保持最佳性能。p c i 还支持总线控制技术，允许智能设备在适当时候取得总线 控制权，以加速数据传输。在一定意义上可以认为p c i 局部总线解决了高性能 的c p u 处理能力和低效的系统结构之间的瓶颈问题。 在p c i 总线推出后，以其突出的高速率传输性能，受到了计算机和通信、 电子行业的青睐，随着p c i 总线的普及应用，基于p c i 总线的数据采集系统设 计有着十分广阔的前景。m 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 2 课题研究任务 由于p c i 憝线的维出及广泛应用，i s a 总线已经逐渐邋出了历变舞台。i s a 插槽已经不再作为计算机主檄的标准配置，这样就使得原来基于i s a 插槽开发 的些插卡如数据采集卡毫炙用武之地，p c i 总线将逐步取代i s a 总线。 僵是p c i 惑线强议毙i s a 总线蛰议要笈杂霉多，妻接为它设诗穗莲嚣戆数 字逻辑控制电路耗时耗力。为了在接口卡上解码p c i 总线规范并完成数据传送， 要求p c i 插槽和接口卡的终端设备之间有一个总线控制器，即接口芯片：p c i 接躁芯片完全符会p c i 总线协议的要求，w 以大大减轻设诗耆的工传强度。 爨院，瑟笈稀两p a 总线豹芯片程各荦孥接墨设器，纛成为现代诗舞税专监 人员的研究课题，并得到了广泛的重视。 本文作者参与了中国电予料技集团某所的基于p c i 总线的数据采集系统的 磷发王 睾。该数撵涎集系绞主要矮子采集警阗霉这菇号，劳将英转羧为数字蕊 号送入计算机，以供计算机避行较为实时的处理和分析。 本论文以雷达应用为背景，利用p c i 总线突出的数据传输性能，进行了基 予p c i 总线的数据采集卡的接口设计部分鲍研制和开发( 该数据采集卡蓠期的 傣譬调理部分耪数据采集部分囊箕嵇同事采铡作完成) 。 本课题的设计任务就是利用p c i 接口芯片开发基于p c i 总线的接口控制电 路。应用这套电路可以直接通过计算机向外部设各发出控制命令，使得经过高 速a d 采撵毫路褥戮戆采撵绥号数据，经 建耢接芯冀，髅裁传簸銎| 诗篑凝熬存 储器中。随后，用户可以利用现代化的强裔力的分析工共，如l a b v i e w ，m a t l a b 等分析软件，对采集到的数据进行相对实时快速的分析糊计算，这样就为数据 的软件分析和实时处理打下了良好鲍基础。 1 3 论文结构安排 必了抉速、方使建了缮本谂文魏主要蠹容，这里夯绥一下论文豹缝稳安摆： 第一章综述了微机总线技术的发展并介绍了本课题的研究任务。 第二章对p c i 总线从操作协议、总线仲裁、电气特性等几个方丽做了简要 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 的概述。 第三耄余绥tp c i 憨线瓣尼个接鞠簇决方寨并鼯拳瀑瑟瑟逸耩戆方案 p l x 9 0 5 4 的特性、寄存器缀等做了简单的介绍。 第四章对本课题研制的接口电路从攘体方案、功能描述、电路设计及具体 毒存器的配餐等方面进行了详尽的描述。 第五章讨论了在v c + + 6 0 舜发舔境下，裁溺歼发工兵d r i v e r w o r k s 谯 w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统下开发实验接口卡的w d m 模式的设备驱动程序的具体 方法，并对举课题所设计的接口电路实验板卡进行了调试。 西南交避犬学硕士醑究爱学位论文第s 贺 第2 耄p e l 总线概述 随着微处理机性能的迅速提高以及多媒体技术和高速网络的不断发展，人 们对微机系绞的i 0 繁宽提出了越来越商的蘩求，琢有瓣标准总线热i s a 、e i s a 帮m c a 已逐渐不熊腥任现代技术鲍要求。在这种情况下，i n t e l 公司提魄了将高 带宽的外围功能移到靠近c p u 的地方，并通过一个系统按阴( 主桥路) 妁处理机 存储器连接的“局部总线”解决方案，他们将这种总线称乏为“外部器件互连 ( 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 ) ”惑线，帮怼l 憨线。 1 9 9 3 年p c i 尉部总线标潦一经推出立刻受到了工业界的重视，其艏成立的 名叫p c i s i g 的集团中包含了i b m 、d e c 、c o m p a q 等i 0 0 多家大公司，其英文全 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 ts p e c i a li n t e r e s tg r o u p ( 羚基部 释豢连专监壅) ，简称p c i s i g 。p c i s i g 发袭了1 ) i 2 1 2 0 技术规范，弗穗微祝领 域得到了广泛的响应，成为新一代的标准。 目前微机中需要高速数据交换的外围部件如图形卡。s c s i 接口控制卡和高 速潮卡等郡在逐澎褰p c i 慈线纛貔，因魏粥l 慧线接曩笈零残灸已戒必窝建赛 竞争的热点之一。 2 1p c i 是郝总线特性 p c i 总线是一种不依附于某个具体处理嚣的局部总线。p c i 总线播槽如图 2 一l 所示。从结构上看，p c i 愚谯c p u 和原来的系统总线老间插入的级总线， ， 其搏囊一个蘩接戆鼹实瑷慰这一滢熬管理，势实褒上下之鬻熬接霹滚渗谖鼗撂 的传送。管理器提供了信号缓冲，使之能支持l o 种岁 设，并在高时钟频率下保 持高性能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 图2 - ip c i 总线插槽 与其它总线相比，p c i 总线标准具有多方面的优点。表2 1 为几种总线性 能的比较。 表2 1 总线性能比较嘲 下面具体介绍一下p c i 局部总线的一些性能特点： ( 1 ) 传输速度快。最高工作频率3 3 m h z ，峰值吞吐率在3 2 位时为1 3 2 鹏s ，6 4 位时为2 6 4 m b s 。 ( 2 ) 支持无限猝发读写方式。读写时后面可跟无数个数据周期，具有强大的数 据猝发传输能力。 ( 3 ) 支持并行工作方式。p c i 控制器具有多级缓冲，利用它可使p c i 总线上外 设与c p u 并行工作。例如c p u 输出数据时，先将数据快速送到缓冲器中，当这 些数据不断送往设备时，c p u 就可转而执行其他工作了。 ( 4 ) 独立于处理器。p c i 在c p u 和外设间插入一个复杂的管理层，用以协调数 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 据传输，通常称之为桥。桥的主要功能是在两种不同的信号环境之间进行转换， 并向系统中所有的主控制器提供一致的总线接口。因此p c i 总线可支持多种系 列的处理器，并为处理器升级创造了条件。 ( 5 ) 提供4 种规格，可定义3 2 位6 4 位以及5 v 3 3 v 电压信号。3 3 v 电压信 号环境的定义为p c i 总线进入便携机领域提供了便利。 ( 6 ) 数据线和地址线采用了多路复用结构，减少了针脚数。一般而言，3 2 位字 长、仅作目标设备的接口只需4 7 条引脚，作为总线控制者的设备接口再加2 条 引脚，并可有选择地增加信号线扩展功能，如6 4 位字长的接口卡需加3 9 条引 脚，资源锁定加l 条引脚，等等。 ( 7 ) 支持即插即用功能，能实现自动配置。在p c i 器件上包含有寄存器，上面 带有配置所需的器件信息，使外设适配器在和系统连接时能自动进行配置，无 须人工干预。”1 2 2 p c i 局部总线传输 2 2 1 p g l 总线传输协议 p c i 总线传输协议是同步传输协议，所有p c i 操作均同步于p c i 时钟，p c i 总线的基本传输规则是突发传输方式。 p c i 总线传输周期由一个地址阶段加上一个或多个数据阶段构成： ( 1 ) 地址阶段：在地址阶段，启动设备指定目标设备( 在p c i 的a d 总线驱 动启动地址) 和传输类型( 在p c i 的c m e # 总线驱动命令) ，同时发出f r a m e # 信号 表明有效的地址和命令已经在总线上，由于地址阶段仅存一拍，所以每个p c i 从设备需要锁存总线上的命令，以供随后译码使用。 ( 2 ) 数据阶段：启动设备用f r a m e # 信号来表示突发传输的持续过程。当启动 设备准备完成最后一个数据阶段时，需失效f r a m e # 且发出i r d y # 。最后一个数 据传完后，启动设备将p c i 总线还原至闲置状态( 此时，f r a m e # 和i r d y # 均无效) 。 一旦主设备设置了i r d y # 信号，将不能改变i r d y # 和f r a m e # ，直到当前数据 期完成为止。而一个从设备一旦设置了t r d y # 信号或s t o p # 信号，就不改变 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 d e v s e l # 、t r d y # 或s t o p # ，直到当前的数据期完成。也就是说不管主设备还是从 设备只要承诺了的数据传输就必须进行到底。 当到最后一次数据传输时，有时紧接地址期之后主设备应撤消f r a m e # 信号 而建立i r d y # 信号，表明主设备已做好了最后一次数据传输的准备，待到从设备 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 i “e # 和i r d y # 信号均撤 消，接口回到空闲状态。 总体而言，p c i 总线传输一般遵循如下几点规则： ( 1 ) 基本的总线传输机制是一次突发传输，包括一个地址期和一至若干个数 据期。 ( 2 ) 除r s t # ，i n t a # 一i n t d # 之外的所有信号都是在时钟上升沿被采样。 ( 3 ) p c i 总线上所有的数据传输基本上都是由三条信号线控制，即f r a m e # ， i r d y # 和t r d y # 。 ( 4 ) 当f r a m e # 和i r d y # 都无效时，接口处于空闲状态。f r a m e # 信号建立之 后的第一个时钟前沿是地址期，在这个时钟前沿上传送地址和总线命令；下一 时钟前沿开始一个或若干个数据期。每逢i r d y # 和t r d y # 都有效的时钟沿就进行 一次数据传输。 ( 5 ) 无论是主设备还是目标设备，一旦承诺了数据传输，就要进行到本次传 输完成。 ( 6 ) f r a m e # 撤销而i r d y # 建立，表示主设备准备好了最后一次数据传输，等 到目标设备发出了t r d y # 信号，就标志着最后一次传输的完成。n 6 1 2 2 2 p g l 总线传输操作 p c i 总线的数据传输采用突发( b u r s t ) 方式，每次传输由一个地址周期和一 个或多个数据周期组成。p c i 总线的读操作和写操作时序分别如图2 2 和图2 3 所示。 时序图中椭圆部分表示一个转换周期( t u r n a r o u n dc y c l e ) ，即某信号线由 一个设备驱动转到另一个设备驱动之间的过渡期，这样可以避免两个设备同时 驱动一条信号线所造成的竞争。 p c i 总线传输包含读、写和中止三个内容。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 ( 1 ) 读传输：图2 2 显示了读操作的传输过程。 c d 弋j _ _ _ 、_ _ 叫 ，五一 lii；l 厂 l 三 一( 争 1 d - 一 ， p c i m l r 液明总线主设铸希望重新获得总线的最大延迟时间( 以2 5 0 n s 递 西南交避犬学硕士研究警学位论文 第l 曼页 增) 。 p c i l t r ：对于执行突发交易的主设备锼强制性的，延迟定时器定义了p c i 程镑薄弱懿最夺镶，在这簸麓令交易慧绒主设备只要寝动一次，裁缝保持总 线所有权。 2 l o c a l 配置寄存器组 l o c a lb a s ea d d r e s s ( r e m a p ) f o rp c i t o l o c a la d d r e s ss p a c e l ：裘髑l o c a l 憨线s p a c e i 在l o c a l 总线空黼的基蛙，映射到p c i 总线空闻的健置。由p c i 配 置寄存器组中的p c i b a r 3 决您。 m o d e d m aa r b i t r a t i o n ：主要用来设爱l o c a l 总线的一些工作状态和d m a 避遂戆撬先缀。 b i g l i t t l ee n d i a nd e s c r i p t i o n ：用来设置l o c a l 总线在不同的工作状态 时采用哪种字节调整技术( l i t t l ee n d i a n 和b i ge n d i a n ) 。 l m i s c ：里鬣有一个重要辫状态经瑚i s c 2 ( l o c a li n i ts t a t u s ) ，在饪秘 p c i 访闫p l x 9 0 5 前必须先要豳l o c a l 总线兢e e p r o m 设鬻该位。 3 d m a 寄存器组 d m ac h a n n e l om o d e ：用来设鬻p l x 9 0 5 4 的通道0 的d 姒工作方式( l o c a l 总 线熬宠疫、蠹郝黪等持状态、审瑟瓣霞蔻与选择、分散装会模式、块模式、粢 求模式) 。 d m ac h a n n e l lp c ia d d r e s s ：p l x 9 0 5 4 通道1 的d m a 传输的p c i 总线空间的 地娥。 d m ac h a n n e l ol o c a la d d r e s s # p l x 9 0 5 4 遴遴1 静漱传输静l o c a l 总线空 间的地址。 d m ac h a n n e l ot r a n s f e rs i z e ( b y t e s ) ；p l x 9 0 5 4 通邋l 的d m a 传输的字节 数。 d 撇c h a n n e l oc o m m m n d s t a t u s ：有d r a 通道0 的控制位( d 暇开始、d m a 使 能、d m a 中止、清理中断) 和状态位( d m a 完成) 。 d 艇ac h a n n e l lc o r m m n d s t a t u s ：有d m a 通道l 豹羧豢链( d 凇弹始、蝴 使憨、燃孛立、涛理中甑) 鞍状态位( d 瞅完成) 。 d m ac h a n n e l od e s c r i p t i o np o i n t e r ：用于分散聚合中描述符做置、d m a 传输方向、中断和结束的控制。 西南交通文学硕士磺究懋学位论文第19 页 4 运行寄存器组 i n t e r r u p tc o n t r o l s t a t u s ：有p c i 总线和l o c a l 总线中断输出的使能、 l o c a l 总线中鼗簸入瓣篌筢、l o c a l 慧线稻l s e r r 辕基瓣侵裁彝泓审羝镬藐等 使能位。有d m a 中断、p c i 总线错误和l o c a l 总线错谈簿些状态位。 s e r i a le e p r o mc o n t r o l ，p c ic o m m a n dc o d e s ，u s e ri oc o n t r o