（机械电子工程专业论文）基于pci总线的camac机箱控制卡的研制.pdf

基于p c i 总线的c a m a c 机箱控制卡的研制 学科：机械电子工程 研究生签字：张保钦 指导剃黼：毒_ 奉 摘要 在工业控制和测量系统中，计算朝担负着数据处理的核心作用，计算机接口卡随着 计算机总线的发展而不断更新，曾经广泛使用的i s a 总线在速度要求较高的场合已逐渐 显出不足，基于i s a 总线的板卡无法实现资源的自动配置，以及计算机主板ei s a 插槽 逐渐的消失：而p c i 总线以其卓越的自动配置资源、高速传输率等性能得到普及。西安 工业学院测量与控带蚶沭硼究所开发的c n c 齿轮测量中心上的c a m a c 机箱控制卡是 面向i s a 总线的，在这种情况下，该控制卡面i 脯向新型总线转换的要求。本文在分析 j 剽空制卡的结构和工作原理的基础e ，开发了基于p c i 总线的c a m a c 机箱控帛巾号。 控制卡一方面将c a m a c 机箱处理过的工件信息以数据形式传输给e 位栅- ；另方面将 上位机处理过的数据传输给c a m a c 机箱，并将站号n 、子地址a 、功能吗f 这些命令 信号进行全泽码，产生与c a m a c 总线相适应的输出信号，进而完成对c a m a c 机箱 中各模件的寻址和操作，从而实现在计算机控韦瓣tc a m a c 机箱的控制，完成对工件 各参数的测量。 本论文包括硬件设计和驱动程序开发两大部分。在硬件部分，设计p c i 接口时使用 p c i 9 0 5 2 把设计时需要考虑的p c i 总线的复杂问题，转移到p c i 9 0 5 2 局部端，问题变得 简单而直接，设计了p c i 总线接口电路、外围逻辑电路、控制模块转换电路等，控制部 分选用可编；i 呈j 黝蚌器件以简化电路 殳计并提高硬件调试效率，在熟悉g 蜢t a c 总线协议 的基础上，设计了控制卡与c a m a c 总线上各功能漠件进行数据和指令传输的接口部 分。在绘制出电路原理图和e 啊0 电路板图的基础上，做出控制卡的硬件部分。软件部分， 采用d d v e r w o d c s 编写了适合在w m 2 0 0 0 平台e 运行的p c i 总线设备驱动程序，详细地 讨论了该驱动程序实现方法和编写步骤，并设计了配套的应用程序，以实现对控制卡的 支持。最后生成了i n f 安装信息文件并使用两种方法成功地实现了控制卡的安装。 本论文已完成基于p c i 总线的c a m a c 机箱控韦忭的硬件和驱动程序的调试，控制 卡经过e 棚测试表明其性能瞒浞要求，目前该隆串! 怍在c n c 齿轮测量中心上实现了稳定 的工作陛能。 关键词：p c i 总线：p c i 9 0 5 2 ；i s a 总线；c a m a c 总线；w d m 驱动程序； r e s e a r c hf o rc a m a cb o xc o n t r o lc a r d b a s e do np c i d i s c i p l i n e ：m e c h a n i c a la n de l e c t r o n i c a l s t u d e n t s i g 一：咖k 咿 8 u p e 诂0 r s i g n ：z 叩b a b s t r a c t i ni n d u s t r yc o n t r o la n dm e a s u r e m e n ts y s t e m ，t h e c o m p u t e rt a k e so nt h ec o r e f u n c t i o no fd a t ap r o c e s s i n g ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fb u si n c o m p u t e r ，t h ei n t e r f a c i a l c a r di nc o m p u t e rr e n e w s t h ei s ab u sw a se v e ru s e d e x t e n s i v e l y ，b u tt h ei s a b u sh a s s h o w nt h es h o r t a g eg r a d u a l l yi nt h es i t u a t i o no f d e m a n d i n gh i g h e rr a t e ，t h ec a r db a s e d o ni s ab u sc a n t c o n f i g u r er e s o u r c e sa u t o m a t i c a l l y a n dt h ei s as l o tq u i t sg r a d u a l l y f r o mc o m p u t e rb o a r d ，b u tp c ib u sp o p u l a t e sw i t ht h em e r i to f c o n f i g u r i n gr e s o u r c e s a u t o m a t i c a l l ya n dh i g h r a t ec t c t h em e a s u r e sa n dc o n t r o li n s t i t u t eo fx i 、a ni n s t i t u t e & t e c h n o l o g yd e v e l o p e d a c o n t r o l l i n g c a r do nc a m a cb o xf o r t l l ec n c g e a r m e a s u r a t i o nc e n t e r ，t h eo r i g i n a lc a r dw a sb a s e do ni s as l o t a t p r e s e n t ，t h ec a r d d e m a n d sc o n v e r s i n gt op c ib u s t h i st e x t a n a l y z e d t h es t r u c t u r ea n dt h ew o r k p r i n c i p l e so f t h eo r i g i n a lc a r d a n dt h ec a m a cb o xc o n t r o lc a r db a s e do np c ib u s w a s d e v e l o p e d o no n eh a n d ，t h ec a r dt r a n s m i t st h ew o r k p i e c ei n f o r m a t i o nt h a tt h ec a m a c b o xh a s p r o c e s s e d t oc o m p u t e r ，o nt h eo t h e rh a n d ，t h ec a r dd e l i v e r sd a t at h a tc o m p u t e r h a sp r o c e s s e dt ot h ec a m a c b o x ，a n dc o d e st h es t a t i o nn u m b e rn ，t h es u b a d d r e s sa ， t h ef u n c t i o nf ，a n d o u t p u t st h es i g n a l sw h i c hi sc o m p a t i b l ew i t hc a m a cb u s ，t o c o m p l e t et h ea d d r e s sa n do p e r a t i o no nc a r d si nc a m a cb o x ，a n dt or e a l i z ec o n t r o lo f t h ec a m a cb o xu n d e rc o n t r o lo fc o m p u t e r , t oc o m p l e t et h em e a s u r e m e n to n w o r k p i e c e t h i st h e s i si n c l u d e st h eh a r d w a r e d e s i g n a n dw i n d o w sd r i v e r p r o g r a m d e v e l o p m e n t i nh a r d w a r e ，t h ep c i 9 0 5 2 t r a n s m i t st h ec o m p l i c a t e dp c i p r o t o c o l st ot h e l o c a l p a no fp c i 9 0 5 2 ，t h u st h ep r o b l e m sb e c o m es i m p l ea n dd i r e c t ，t h ep c ib u s i n t e r r a c i a lc i r c u i t s 、t h eo u t e rl o g i cc i r c u i ta n dt h ec o n t r o lc o n v e r s i o nm o l dc i r c u i th a v e b e e nd e s i g n e d ，t h ep r o g r a m m a b l el o g i cc o m p o n e n t sw i t sc h o s et os i m p l yt h ec i r c u i t d e s i g n ，w i t ht h er e s u l to fr a i s i n ga d j u s t m e n te f f i c i e n c yo fh a r d w a r e w i t ht h eb a s eo f a c q u a i n t a n c ew i t ht h ec a m a c b u sp r o t o c a l t h ei n t e r f a c i a lp a nb e t w e e nt h ec o n t r o l c a r da n dc a m a cb u sw a sd e s i g n e d t h ec i r c u i ts c h e m a t i cm a pa n dp c bm a pw a s d r a w n i ns o f t w a r e ，d r i v e r w o r k sw a sa d o p t e dt od e v e l o pt h ew d mf o rp c ib u so n w i n d o w s 2 0 0 0 d i s c u s s i n g t h er e a l i z a t i o nm e t h o do fw d ma n dp r o g r a m m a b l es t e p si n d e t a i l ，a n dd e v e l o pt h ea p p l i c a t i o np r o g r a m ，t os u p p o r tt h ec o n t r o lc a r d t h co u t p u to f i n fa n dt h ei n s t a l l a t i o ns t e p so f t h ec a r dw e r ei n t r o d u c e di nt h ee n d t h i st l l e s i sh a sc o m p l e t e dh a r d w a r ea n dw d m d e b u go f t h ec a r d ，血ec a r dh a s r e a l i z e di t sc o n t r o lf u n c t i o nt h r o u g ht e s to nc n c g e a rm e a s u r a t i o nc e n t e r ，t h ec a r d w o r k s s t a b l yo n t h ec n cw h e e lg e a rm e a s u r a t i o nc e n t e rc u r r e n t l y k e y w o r d s ：p c ib u s ；p c i 9 0 5 2 ；i s ab u s ；c a m a cb u s ；w d mp r o g r a m l 绪论 1 1 课题研究的背景 1 绪论 在工业控制和测量系统发展的历史中，计算机技术、软件技术的高度发展，先进 控制理论、控制方法的不断出现，为测量控制系统的发展提供了强大的发展动力”。 总线是计算机控制系统解决信息传送问题的工具，控制系统性能与总线性能是密切相 关的。总线技术在我国科研和生产领域具有广泛的应用，尤其在测量和控制系统中， 对澳0 量数据速度的要求也在增加，随着计算机技术的高速发展，总线功能越来越强， 总线结构也越来越复杂。了解总线，对于当前在设计、开发计算机插卡的工程技术人 员来说显得越来越重要。总线技术是数据采集的基础，只有对总线技术进行深入地研 究，才能找到实现高速数据采集、处理并最终达到控制测量目的的方法。 作为一种传统的计算机总线技术，i s a 总线曾经取得了很大的成功，成为事实的 业界标准。但i s a 总线的数据传输速率较低，i s a 总线采用8 m h z 的总线时钟，即使 1 6 位宽度的总线，在大多数的设计应用中最高只能达到5 m b s 的传输速剧”。这对于 需要高速数据采集、处理和控制的设计来说是不能接受的。其次，i s a 总线接口卡无 法实现资源的自动配置。计算机的接口卡都需要使用i o 空间资源、存储器空间资源 可能还有中断资源，在传统的i s a 总线接口卡中，这些资源都是在设计中事先就设定 好的，为了避免不同接口卡之间的资源冲突，i s a 总线接口卡j 穗过设置拨码开关或跳 线器等，以便在预定的资源配置中选择一种，从而导致无法实现人们一直在追寻的目 标一即插即用，因此为面向i s a 总线接口卡的设计带来了麻烦，并且使用起来很不方 便。 p c i 总线接口卡恰恰克服以上i s a 总线接口卡的缺点。p c i 总线具有高速数据传 输率、独立于处理器、支持多个外设等独特性能，越来越受至o _ t g g l j - 家和工程开发 人员的脊睐。目前，p c i 总线是计算机中最常见的总线。，虽然i s a 总线接口卡退出计 算机应用还需要很长的一段时间，即使在一些不需要高速的场合，i s a 总线接口卡也 能解决问题，但是p c i 总线接口卡成为计算机插卡主流设计已是不争的事实。闭 西安工业学院测量与控制技术研究所开发的c n c 齿轮测量中心是8 0 年代迅速发 展起来的种新型齿轮测量仪，它是集机、电、测、控等方面高新技术于一体的机电 一体化仪器，具有测量精度高、功能扩展方便等优点。它利用先进的测量原理，通过 计算机控制、计算和误差补偿，可以在不同的测量软件支持下完成齿轮类零件及其它 复杂回转型面零件的全自动测量。c n c 齿轮测量中心由计算机系统、测量与控制系统 和机械系统三大部分组成，其中测量与控制系统是c n c 齿轮测量中心的关键技术之 一，其主要功能是接收计算棚指令，控制机械系统实现测量运动；实时采集测头和各 运动轴的坐标值，并传给计算机，同时对机械系统的状态和操作面板进行监控。控制 系统中最重要的是由多个功能模件组成的c a m a c 机箱部分，多个功能模件挂在 c a m a c 总线上，通过机箱控制卡与计算机相连，实现在计算机系统控制下对工件的 测量。 早期设计的c a m a c 机箱控制卡就是面向i s a 总线的，但是随着计算机技术的发 西安工业学院硕士学位论文 展，i s a 总线的不足严重制约了计算机技术的发展。随着i s a 总线的弊端凸现和i s a 插槽从计算机主板上的消失，同时为了使用可编程逻辑器件改进c a m a c 机箱控制卡 的工作性能，设计出基于p c i 总线的的控制卡是c n c 齿轮测量中心面临着的迫切要 求。 1 2 课题的来源与意义 本课题来源于西安工业学院测量与控制技术研究所c n c 齿轮测量中心产业化开发 项目。c n c 齿轮测量中心的研制，填补了国内齿轮测量系统的多项空白。随着t t g f t 技术和现代测量技术的发展，新的控制方法和测量方法不断涌现出来，为了适应市场 发展的需要，在原有的c n c 齿轮测量电心的基础e 不断地进行技术革新，以使整个齿 轮测量系统的性能得到提商从而推动其更好的走向市场，并在此基础上扩大该产业的 规模。 本课题研究的目的是在保持原有c a m a c 机箱控制卡所有功能的基础上，将i s a 总 线改造为p c i 总线，实现高速、实时地数据传输，同时尽可能采用工作可靠性高的大 规模集成电路替代由繁多的小规模集成电路所组成的控制方案，达到工作性能的优化， 从而推动该c n c 齿轮测量中心控制系统更好地发挥控制性能。 1 3 本课题研究的主要内容和重点 本课题研究的主要内容是根据c n c 齿轮测量中心要完成的功能，研制基于p c i 总线的c a m a c 机箱控制卡，实现在计算机和c a m a c 机箱之间提供数据、地址和 命令的传输通道，从而达到控制c a m a c 机箱中各功能漠件以实现对工件参数的采 集、转换、计数并控制电机运动的目的。 本课题需要做以下几个方面的工作： l _ 剖析p c i 总线的规范，在对几种实现p c i 总线接口方法比较的基础上，选择 出控制卡的接口电路，以避免复杂的p c i 总线协议； 2 深入研究c a m a c 总线的规范，对c a m a c 总线所支持的信号、时序和机械特性 要有清晰的概念； 3 结合控制卡在控制系统中所处的位置和所起的控带4 功能，在分析其与p c i 总 线和c a m a c 总线之间相互关系的情况下，提出一个基于p c i 总线的c a m a c 机 箱控制卡的设计方案，尽可能使用大规模集成电路进行逻辑转换，以减少在 后续的硬件调试中所存在的耗费大量时间的可能性； 4 在设计出控制卡电路框图的基础上，用p r o t e l l 绘制控制卡电路原理图和印 刷电路板图，以便于做出控常卡的硬件部分； 5 结合p c i 操作协议，由于该控制卡还起数据的传输功能，为了实现对操作系 统i o 空闯的访问，需要对专用接口电路的内部寄存器进行配置，使其符合 控制卡在上位机和下位机之间数据传输的桥梁作用； 6 由于控制卡将工作在p c i 总线上，应用程序不能直接访问硬件，因此需要编 2 西安工业学院硕士学位论文 写 日应的p c i 设备驱动程序，不但要对多种驱动模型作出比较以选择出适合 该板卡工作的驱动程序模型，还要选择出合适的驱动程序开发工具，在此基 础上，编写出驱动程序用于管理控制卡的硬件资源； 7 在选择出调试工具的基础上，使用调试软件对控制卡驱动程序进行调试； 8 利用v c _ r 十编写并调试应用程序，以实 见控制卡的测量工作； 9 使用接口电路厂家提供的调试工具对p c i 总线所要求的i o 空间寄存器、存 储空间寄存器和配置空间寄存器进行配置，并使用必要的硬件调试工具，将 控制卡硬件部分、驱动程序和应用程序结合起来放在c n c 齿轮测量中心上进 行联调。 本课题的重点有以下几个方面： a p c i 总线接口部分的设计 p c i 总线规范定义了严格的电气特性和时序要求，开发难度比i s a 总线的开发难 度大。要进行p c i 接口设计，就要熟悉p c i 总线规范，并且设计时必须严格遵守p c i 总线规范和电子技术规范，p c i 协议接口电路主要是使用p c i 接口芯片来提供高性能 的p c i 总线接口，其使用需要对它的p c i 配置寄存器和局部端寄存器进行设置【”。接 口电路一般分为专用接口芯片和可编程逻辑器件，目前市场上有多家公司从事专用接 口电路的设计和调试，设计者也可使用可编程逻辑器件开发自己的接口电路。不同的 接口电路其性能、工作方式和价格等方面有所不同，它的选择关系到控制卡工作性能 的优劣、开发周期的长短和成本的高低等。 b 控制功能的实现 由于该控制卡在下位机与上位机之间起个数据传输的桥梁及控制c k m a c 机箱的 作用，因此还要熟悉p c i 总线和c 舳i c 总线规范的时序要求，将从p c i 总线发出的命 令和数据传输或转换到c a m a c 总线端，这个部分如果能够有效地利用大规模集成电路 来实现控制功能的实现，不但能够缩，j 、板卡的面积，而且能够大量的减少控制卡硬件 调试的时间。因此如何实现逻辑功能的转换，以便达到与c & l i a c 总线的除当握手也是 研究的重点。 c 驱动程序的编写和调试 该控制卡要实现正常工作的目的，还需要有软件的支持，设备驱动程序提供连接 到计算机硬件的软件接口。它是操作系统的一个任务部分，使用户程序以种规范的 方式访问硬件，在应用程序和硬件之间由系统提供了个保护屏障，实现硬件资源的 合理分配。软件的设计主要是p c i 设备驱动程序的编写和调试，该驱动程序的功能是 向系统提供一些标准的例程来完成数据的输入输出操作，以及驱动程序自身的加载和 卸载工作。 3 2 总体设计 2 1 控制卡功能描述 2 总体设计 在齿轮测量中心上，控制卡在计算机和c a m a c 机箱之间起着数据连接的桥 梁作用，其主要功能是一方面接收计算机指令，计算机通过控制卡向c a m a c 机 箱中存在的备功能模件发出指令来完成各功能模件的l a m 请求和中断处理，并 将这些指令分别传送给c a m a c 机箱里各功能模件，从而控制机械系统实现测量 运动：另一方面将实时采集到的测头和各运动轴的坐标值传送给计算机，让计算 机在应用程序的管理下对这些数据信息进行处理。即该控制卡不但起一个在上位 机和下位机进行信息传输的桥梁作用，而且控制着下位机的操作。 2 2 设计思路 当今随着计算机技术和大规模集成电路技术的发展，测控系统正沿着总线与 驱动程序标准化、软件模块化和硬件模块化的即插即用方向发展1 4 j ，1 s a 插槽已经 不再作为计算机主板的标准配置，这样就使得原来基于i s a 总线所开发的控制卡 在当今流行的微机上得不到使用，同时i s a 总线存在着很多不足之处，因此随着 p c i 总线逐步替代i s a 总线，并且随着齿轮类零件广泛应用于现代化建设的各个 领域，在新形势下，c n c 齿轮测量中心面临着性能的提高、功能的完善和结构的 优化等问题，因此有必要开发基于p c i 总线的控制卡并应用于测量系统中。 通过对市场上同类产品、用户的要求和建议、目前测控系统的发展趋势进行 新的调研、思考之后，确定了所要研制的c n c 齿轮测量中心的改造方案，基于 p c 总线的c a m a c 机箱控制卡作为整套改造方案中的一部分。要傲的工作主要 有以下几点值得注意： ( 1 ) 把即将被淘汰的i s a 总线换为目前逐渐得到普及的p c i 总线，使得新 开发的控制卡能在现有的微机上得到应用，并实现控制功能的完善； ( 2 ) 为减少硬件的调试时间和简化控制卡设计，应尽量减少大量使用小规 模集成电路，在控制卡的c c u ( c a m a cc o n t r o lu n i t ) 控制部分，适当选择工作 性能可靠的c p l d 来取代原来带有多块小规模集成电路的方案，不但可以提高控 制卡的集成度，同时可以提高硬件调试效率，从而缩短开发时间； ( 3 ) 通过编写支持w i n d o w s 核心态驱动程序等方面来改善控制系统的性能， 以解决在p c i 系统中应用程序不能直接操作硬件的问题，以提高控制系统工作的 可靠性、稳定性。 通过对p c i 系统结构的仔细研究，结合控制板卡应实现的功能，提出了控制 板卡的电路框图2 1 。 4 菲 数据传输部分 c c u 部分 图2 1电路框图 2 3 接口电路的选择 p c i 总线由于其极高的速度和良好的性能而越来越多地应用于系统设计中，接 口电路的开发设计显得尤为重要，设计时真正实现p c i 接口是有一定难度的。这主 要体现在以下几点： 1 p c i 总线接口设计要严格遵守p c i 总线规范、电气技术规范和机械技术规 范，p c i 总线的特征和严格的总线定义使得p c i 总线接口电路的设计复杂化“； 2 p c i 总线是同步总线，对时序要求十分严格。例如p c i 总线来的信号，从 时钟上升沿到输出有效的时间是2 l l n s ，而要求接口产生的信号距时钟上升沿的 准备时间小于7 n s ，并且信号多是三态驱动“1 。这样短的时间使得传统的中小规模 的集成电路难以实现p c i 接口电路，但为了实现p c i 接口设计又不得不选用高速芯 片。 3 进行软硬件产品的制作调试阶段还需要很多开发工具，比如基于软件的 总线接口模型和基于硬件的p c i 总线实习器。有了这些开发工具进行p c i 总线接口 开发、定位故障要方便得多，如果只有逻辑分析仪也可以，不过开发难度会增大。 因此对p c i 设备开发人员来说，接口电路的选择在制作任何基于p c i 总线的板 卡中都是整个设计中很关键的一步，因为接口电路的选择关系到板卡开发的性能、 成本和周期。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 以及板卡的尺寸限弗等实际情况加以选择，从现有的技术来看实现通用p c i 接口主 要有两种方式：可编程逻辑器件或专用接口芯片。 2 3 2 采用专用芯片实现通用p c i 总线接口 p c i 总线虽然具有十分优越的性能，但要设计基于p c i 总线的外围设备，必 须严格遵守p c i 总线协议，由于p c i 总线协议比i s a 总线协议复杂得多，直接为 它设计相匹配的数字逻辑控制电路耗时耗力，为了在控制卡上解码p c i 总线规范 并完成数据传送，要求p c i 插槽和控制卡的终端设备之间有一个总线控制器，即 接口芯片。p c i 总线接口芯片为设计者提供了一种更快速、更简洁的设计途径。 p c i 接口芯片完全符合p c i 总线协议的要求，从而极大地减轻了设计者的工作量。 专用接口芯片可以实现完整的p c i 主控模块和目标模块接口功能，将复杂的p c i 总线接口转换为相对简单的用户接口。厂商对p c i 总线接口进行了严格的测试， 用户不必再花费大 西安工业学院硕士学位论文 量时间从事调试p c i 总线接口的工作，只要设计转换后的总线接口即可，明显地缩 短了开发时间1 6 j 。它的缺点是用户可能只用到了部分的p c i 接口功能，这样就造成 了一定的逻辑资源浪费，对于大批量生产的产品不易降低成本。目前有多家a s i c 厂商提供专用芯片，如a m c c 公司的$ 5 9 3 0 3 3 ，$ 5 9 2 0 ，p l x 公司的9 0 5 2 、9 0 5 4 、 9 0 8 0 等，将这些专用接口芯片放置于插卡与p c i 总线之间，提供数据与控制信号的 接口电路。这样，用户可以集中精力于应用设计，而不是调试p c i 总线接口与处理 系统的问题，从而有效地降低接口设计的难度，明显地缩短了开发时间。 2 3 1 可编程逻辑器件实现通用p c i 接口 采用c p l d 或f p g a 设计p c i 接口，其最大的好处是比较灵活。首先。p c i 接口可以依据插卡功能进行最优化，不必实现p c i 规范中的所有功能，而只是这 些规范的一个子集，这样可以节约系统的逻辑资源。其次可以将p c i 插卡上的其 它用户逻辑与p c i 接口逻辑集成在一个芯片上，从而实现紧凑的设计，并且可以 节省板卡面积。第三，当系统升级时，只需对可编程逻辑器件重新迸行逻辑设计 即可，无须更新p c b 版图。因此采用c p l d 或f p g a 设计p c i 接口具有较高的性 能价格比。 这种方法的特点是虽然可以节省板卡面积，但对设计者的要求较高，不仅要 求开发者具有较高的c p l d 或f p g a 设计经验，更需要对p c i 总线协议有较深程 度的理解。 许多的可编程逻辑器件生产厂商都提供经过严格测试的p c i 接口功能模块， 由用户进行简单的组合设计即可。再配上后端的用户逻辑即可完成p c i 接口功能。 如x i l i n x 的l o g i c o r e ，a l t e r a 的a m p p ( a l t e r am e g a f u n e t i o n p a r t n e r sp r o 等【飘。 这些功能模块功能强大，能够明显地缩短开发周期，但价格非常昂贵，通常为几 千至几万美元。如果产品批量很大，采用现成的模块可以缩短设计周期，成本亦 随之降低。还可以购买由厂家提供的用v h d l 、a h d l 等硬件描述语言编制的p c i 核心设计模块，但设计难度还是很高，因为p c i 总线对负载要求、对传输数据的建 立时间要求都比较苛刻；同时还需要器件内部实现配置的各类寄存器，以及完成 逻辑校验、地址译码等工作的寄存器，大致需要1 0 ，0 0 0 个门电路；此外，还需 加入f i f o 、用户寄存器和后端设备接口等部分叫。 2 3 3 接口电路的确定 比较以上几种实现p c i 接口的方案可知，用可编程逻辑器件设计p c i 总线接 口能够较灵活的实现所需要的功能，但为了达到p c i 指标的苛刻要求，必然导致 将大量的人力、物力投入到纷繁的逻辑验证和对序分析工作上，开发周期较长， 对于在有限的时间和资源条件下设计出适用的控制卡是不可取的方法。采用专用 接口器件虽然没有采用可编程逻辑器件那么灵活，但其优越性非常明显：能够有 效地降低接口设计的难度，缩短开发时间。专用接口器件具有较低的成本和通用 性，能够优化数据传输，提供配置空间，具备用于猝发传输功能的片内f i f o 等， 并且许多公司也提供配套的开发工具( 例如评估板和驱动程序开发软件) 。目前实现 p c i 接口一般采用专用芯片，一方面所设计的控制卡插在p c i 插槽里作为上位机 与下位机通信的接口卡，一方面接收来自c a m a c 机箱的信息，并将这些信息送 到c p u 进行处理，然后将处理后的数据分段送到c a m a c 机箱中的各个功能模件， 因此它仅作为目标模块在计算机的控制下工作，在数据传输速率方面，下位机并 没有要求太苛刻，i s a 总线的速率就可以满足。另一方面，从课题的开始到结束 所给的时间有限，因此没有太多的时间花费在研究p c i 规范和协议上，而目前市 6 西安工业学院硕士学位论文 场上常见的有p l x 、a m c c 、c y p r e s s 等公司的p c i 桥接芯片，由于p l x 公司是 世界第一大专用芯片生产商产品性能可靠，同时其产品p c i 9 0 5 2 是一款使用技 术成熟又符合控制板卡作为目标模式工作的接口芯片，它有一个比较独特的优点 是带有i s a 向p c i 转换的功能，同时p l x 公司为基于p c i 9 0 5 2 的硬件设计提供了 s d k ( s o f t w a r ed r i v e rk i t 即软件开发包) 和调试软件p l x m o n 因此，控制卡决定 选用p l x 公司的产品p c i 9 0 5 2 来作为p c i 接口电路。 2 4 驱动程序的模式的选择 开发基于p c i 总线板卡一般要编制驱动程序才能使用，由于p c i 设备的中断、 i o 端口、映射内存等资源都是动态分配的，必须编写设备驱动程序管理硬件，才 能供用户使用。w i n d o w s 9 8 和w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统是3 2 位的多任务非实时操 作系统，其友好的图形界面给广大用户和软件开发及使用者带来了很大的方便。 但为了兼顾系统的可靠性和稳定性，w i n d o w s 屏蔽了对系统底层的操作和用户与 硬件打交道的权力，丽通过操作系统统一管理设备驱动程序和其它内核访问来实 现应用软件对硬件的访问。这样硬件开发人员就往往需要自行开发设备驱动程序 来完成应用程序对硬件的访问。 从广义上来说，设备驱动程序就是控制硬件设备的一组函数。 在w i n d o w s 环境下，如果要处理硬件中断，实现d v i a 操作，就一定要用到 设备驱动程序，开发即插即用( p n p ) 设备( 如p c i 接口卡) 更是这样。在w i n d o w s 环境下驱动程序共有三类1 7 j ： 1 v x d v x d 是v i r t u a ld e v i c ed r i v e r ( 即虚拟设备驱动程序) 的缩写，是m i c r o s o f t 公司所提倡的新一代物理设备驱动程序。它运行在系统保护层( r i n g0 层) 下， 可以完成对各种各样的系统物理层的访问。v x d 模式起源于w i n d o w s 3 1 时代， 一直到现在，它仍然在w i n d o w s 9 5 ，9 8 s e m i l l e n n i u m 操作系统中起主导作用。虚 拟设备驱动程序实际上就是一种在核心态运行的动态链接库，向系统提供一些标 准的例程来完成i o 过程和驱动程序自身的加载和卸载工作。 2 k m d k m d 是k e r n e lm o d ed r i v e r 的缩写，是在w i n d o w sn t 下提出的管理、维 护硬件运行的驱动程序模式。 3 w d m w d m 是w i n 3 2 d r i v e rm o d e l 的缩写，是m i c r o s o f t 公司力推的全新的驱动程 序模式。它的运行平台是w i i l d o w s 9 8 ，s 蹦r i 佗0 0 0 操作系统。随着w i n d o w s 9 8 与 w i n d o w s 2 0 0 0 成为操作系统的主流，原先用来实现硬件驱动程序的v x d 技术随着 w i n d o w s 9 5 的淡出也慢慢地将退出历史舞台，在w i n d o w s 9 8 与w i n d o w s 2 0 0 0 中设 备驱动程序将根据w d m 来设计【6 1 。在不久的将来，在w i n d o w s 平台上，w d m 将成为主流的驱动模式。 微软公司从w i n d o w s 9 8 开始支持w d m ( w i n d o w sd r i v e rm o d e l ) 驱动程序模 型，并在w i n 9 8 s e ( s e e o n de d i t i o n ) 、w i n 2 0 0 0 等版本中对w d m 提供支持咧。w d m 是基于w i n n t w 1 n 2 0 0 0 的3 2 位层次化、模块化驱动程序模型，驱动程序的层或 堆栈一起工作处理i o 请求，而最重要的i o 对象是驱动程序对象和设备对象。 w i n d o w s 的i 0 系统使用驱动程序对象代表每个设备驱动程序，驱动程序描述了 驱动程序载入到物理内存的什么地方，驱动程序的大小和它的主要入口点。其以 w i n d o w s n t 4 0 的内部结构为基础，同时引入了w i n d o w s 9 8 和w i n d o w s 2 0 0 0 操作 7 西安工业学院硕士学位论文 系统中的设备驱动程序提供了一个统一的参考平台。不仅如此，w d m 驱动程序 还可以在不修改源代码的情况下经过重新编译后在非i m e l 平台上运行，因此 w d m 是一个跨平台的驱动程序模型，它提供了标准系统接口机制，并在源码级 兼容w i n n t 、w i n 2 0 0 0 、w i n 9 8 。不同的是它对p n p ( p l u g & p l a y 即即插即用) 和电 源管理机制提供支持。通过对板卡配置空间的访问从而来进行系统资源的配置， 设备驱动程序的关键是如何完成硬件操作，基本功能是完成设备的初始化、对端 口的读写操作、中断的设置和响应及中断的调用，以及内存的直接读写。 为了通用性和兼容性，通过对以上几种驱动模式的比较，该控制卡驱动程序 的开发采用支持w i n d o w sx p 、w i n d o w s 9 8 和w i n d o w s 2 0 0 0 的w d m ( w i n 3 2 驱动 模型) 设备驱动程序。 2 5 本章小结 在设计开发基于p c i 总线的控制卡时，首先考虑的应该是设计的板卡需要实 现的功能，在保证能够实现控制功能的情况下，尽量选用专用的接口芯片，p c i 作为一个功能块嵌入芯片中，通过芯片管脚的i o 电路与p c i 插槽相连，使得将 复杂的p c i 协议简单化。设计中选用这样的芯片不仅节约了开发时间，缩短了开 发周期，在一定程度上提高了电路的性能，简化了电路的测试过程。结合本控制 卡在整个c n c 齿轮测量中心上所起的作用和应达到的性能，控制卡最终选用了 p l x 公司的目标模块p c i 9 0 5 2 ，在对几种驱动程序模式进行比较的基础上，最终 确定了编写w d m 模式的驱动程序来支持控制卡硬件的操作。 8 3 硬件电路的实现 3 硬件电路的实现 3 1 p c i 总线的接口电路设计 p c i 总线的接口电路设计与i s a 总线的接口电路设计有着较大的差别，必须严 格遵守p c i 总线规范，一般的集成芯片不适宜作p c i 总线的接口电路。p c i 总线采用 一系列的新技术对面向p c i 总线的板卡提出了苛刻的要求，使得p c i 总线的接口电 路在硬件实现上与传统总线的接口电路有着很大的不同。在很多细节上要考虑p c i 总线特有的性质，如信号负载能力、支持自动配置等。控制卡采用专用接口芯片 p c i 9 0 5 2 避开了复杂的p c i 总线协议，图3 1 是基于p c i 总线的电路原理图，主要由 p c i 接口芯片p c i 9 0 5 2 和数据转换电路组成。数据逻辑转换部分主要由可编程逻辑 器件e p m 7 1 2 8 来完成，以便实现该板卡的控制功能。 顼 l a d 1 5 ：0 存 a d 口l ：0 1 和 1 。c b e 3 ：0 7 1 上 7 驱 也 f r a m e # 7 n i r d y # 7 r 脚 触发信号 至 t r d y 拌7 l 阿、a 、f n w r 7 磐 p c i 1 s t o p # p c i “ q 、x 7 a oe p m 7 1 2 1 s e l 9 0 5 2 - b u s a 1 b c s d e v s e l 圹 s e l # 7s q w 7 1 p e r r 彝 x a c k 圹 1 r d 1s b l 操# w r 7 罱 1 c u ( a o 7 ：0 i o r s l 嗤 7 n 删7 e e s k 1 l o c x 掣 e e d o 7 e e c s 7串行 e e p r o m 1e e d i 图3 1 控制卡电路原理图 3 2p c i 9 0 5 2 的介绍 本课题选用p l x 公司推出的低成本的总线目标接口芯片p c i 9 0 5 2 来完成接口 电路部分的设计。p c i 9 0 5 2 是p l x 公司为扩展适配板卡推出的能提供一种混合的高 性能p c i , 总线目标( 从) 模式的接口芯片。它能适应多种局部总线的设计要求，并 且它与公共总线和相关控制设备的连接非常灵活，p c l 9 0 5 2 为控制板的设计提供了 结构紧凑、高性能的特点。 3 2 1p c l 9 0 5 2 的特点 p c i 9 0 5 2 是p l x 公司开发的低价位的p c i 总线目标接口芯片，低功耗，管脚 9 匿安工业学院硕士学位论文 的封装为p q f p l 6 0 p i n s ，符合p c w 2 1 规范，它的局部侧总线可以通过编程设置 为8 1 6 3 2 位的( 非) 复用总线 9 1 。本文中所述的局部侧总线指的是p c i 9 0 5 2 的 l o c a lb u s ，为的是与通称的局部总线相区别。主要特点如下： ( 1 )符合p c i 2 1 规范的目标接口芯片，支持低成本从属适配器； ( 2 )多达5 个局部侧总线地址空间和四个片选信号； ( 3 )双向f i f o ，用于零等待状态猝发操作； ( 4 ) p c i 总线传输速度可达1 3 2 m b ，s ： ( 5 )支持多路复用和非多路复用8 位、1 6 位和3 2 位通用局部侧总线； ( 6 )支持局部侧总线与p c i 时钟异步运行； ( 7 )支持b i g l i t t l ee n d i a n 编码字节转换； ( 8 、支持来自两个局部侧总线的中断，生成p c i 中断； ( 9 )串行e e p r o m 用于装载配置信息； ( 1 0 )i s a 模式支持p c i 总线到i s a 总线的单周期存储器( 8 位、1 6 位) 读、 写和i o 访问。 3 2 2p c i 9 0 5 2 的操作 ( 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 删信号复位，并给出响 应信号r e t r y ，在局部侧总线上输出l r e s e t # 信号，还要检查串行e e p r o m 是 否存在。如果安装了e e p r o m 且它的前1 6 位不为f f f f ，则p c i 9 0 5 2 用e e p r o m 中的值来配置片内的寄存器，否则使用缺省值0 1 。p c i 总线上主控设备还可以通 过软件的途径( c n t r i ，寄存器中设置相应的位) 对p c i 9 0 5 2 复位，并给出l r e s e t # 信号。采用