（计算机科学与技术专业论文）基于mpc8321的四串口接口板卡设计与实现.pdf

净， 警 t 韭京鲣虫太堂亟堂僮监塞基壬丛墨圣2 1 的四垒旦撞旦拯圭递让生塞强 科燃f 螋 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论 本人签名： 处，本人承担一切相关责任。 日期： 2 2 fq ： 厶 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学 本人签名 导师签名 适用本授权书。 日期： 兰旦1 2 ：圣：壁 i e t 期： 兰! ! 旦：蔓。! 生 j 壁鏖鲣垒太堂亟堂丝诠塞 一 一 基壬m 堑至! 数四垒旦撞旦拯圭递进量塞强 静。 - c 童 f ；， 位的传送信息，所用的传输线少，并且可以借助现成的电话网进 行信息传送。因此，特别适合于远距离传输。对于那些与计算机 相距不远的人一机交换设备和串行存储的外部设备如终端、打印 机、逻辑分析仪、磁盘等，采用串行方式交换数据也很普遍。在 实时控制和管理方面，采用多台微机处理机组成分级分布控制系 统中，各c p u 之间的通信一般都是串行方式。所以串行接口是微 机应用系统常用的接口。许多外设和计算机按串行方式进行通 信，这里所说的串行方式，是指外设与接口电路之间的信息传送 方式，实际上，c p u 与接口之间仍按并行方式工作 多串口数据通讯作为计算机应用方向的一个重要分支，主要 研究的是数据的多串口采集、存储和处理。基于p c i 总线技术的 多串口数据通讯卡，一直是市场追求的热点。 本课题来源于北京万林克通信技术有限公司。北京万林克通 信技术有限公司，为了满足客户的需求，根据之前已有m p c 8 3 2 1 路由器的主板提出了一种基于p c i 从模式的4 串口接口板卡解决 方案。 本文提出了一种基于m p c 8 3 2 1 四串口接口板卡的设计方案， 通过方案制定，芯片选型，原理图设计，p c b 设计等环节，以 m p c 8 3 2 1 为主c p u ，此c p u 可以在两种模式下工作主模式 和从模式。此课题用从模式，并利用q u i c ce n g i n e t mb l o c k 中 的五个u c c s 中的四个，配置成串口接口，再利用p c i 从工作模 式，实现与主板c p u 的同时通信。 本论文大致分为三大部分七个章节，第一部分是第一二两章， 为概述部分，介绍了本课题完成的主要工作，课题研究的背景知 识介绍，涉及的相关技术等。第二部分为本课题的详细设计部分， 包括三四五章，从接口板卡的设计方案选取介绍起，到硬件芯片 的参数功能介绍，以及详细硬件设计，包括各个模块和接口的设 计。最后一部分介绍了课题进行中遇到的难点及解决情况。 关键词m p c 8 3 2 1 ；p c i 从模式；串口；u c c s ；p c b d e s i g no f4s e l u a lp o r t s b a s e do nm p c 8 3 2 1 a b s t r a c t w i t ht h ea p p l i c a t i o no fc o m p u t e rs y s t e m sa n dt h ed e v e l o p m e n to f c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s ，c o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n si si n c r e a s i n g l ym o r e a n dm o r ei m p o r t a n t c o m m u n i c a t i o ni sb o t hb e t w e e nt h ec o m p u t e r sa n d p e r i p h e r a l s ，i n c l u d i n gi n f o r m a t i o ne x c h a n g eb e t w e e nc o m p u t e r s a ss e r i e s c o m m u n i c a t i o nd e l i v e r sm e s s a g ei nat r a n s m i s s i o nl i n eo n eb i tb yo n e b i t ，t h en u m b e ro ft r a n s m i s s i o nl i n e si sl e s s a n di t c a nb eu s e df o r i n f o r m a t i o n d e l i v e r yb yt h ee x i s t i n gt e l e p h o n en e t w o r k , s o i ti s p a r t i c u l a r l y s u i t a b l ef o r l o n g d i s t a n c e t r a n s m i s s i o n f o rt h o s e p e o p l e m a c h i n es w i t c h i n ge q u i p m e n t sn o tf a ra w a yf r o mc o m p u t e r sa n d p e r i p h e r a le q u i p m e n t s s e r i a l s t o r e d ，s u c ha s ，t e r m i n a l ，p r i n t e r , l o g i c a n a l y z e r s ，d i s k ，i ti s a l s oc o m m o nb ys e r i a lm o d ee x c h a n g i n gd a t a i n r e g a r dt or e a l - t i m ec o n t r o la n dm a n a g e m e n t ，i nu s i n gm o r et h a no n e c o m p u t e rp r o c e s s o r st oc o n t r o lt h ed i s t r i b u t i o no ft h ec o m p o s i t i o no f c l a s s i f i c a t i o n s y s t e m s ，t h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ec p u sa r e g e n e r a l l yb y s e r i a lm e t h o d s t h e r e f o r e ，s e r i a li n t e r f a c ei sc o m m o n l yu s e d i nc o m p u t e ri n t e r f a c e a p p l i c a t i o n s m a n yp e r i p h e r a l s a n dc o m p u t e r s c o m m u n i c a t eb ys e r i a lm a n n e r , s e r i a lm a n n e rm e n t i o n e dh e r er e f e r st ot h e t r a n s m i s s i o no fi n f o r m a t i o nb e t w e e n p e r i p h e r a l s a n di n t e r f a c e c i r c u i t s a c t u a l l y , i ti ss t i l lw o r k i n gi np a r a l l e lm a n n e rb e t w e e nc p ua n d i n t e r f a c e m u l t i - s e r i a ld a t ac o m m u n i c a t i o ni sa ni m p o r t a n tb r a n c hi nc o m p u t e r a p p l i c a t i o n ，w h i c ht h em a i nr e s e a r c hi sm u l t i s e r i a lc o l l e c t i o n ，s t o r a g ea n d p r o c e s s i n go fd a t a m u l t i s e r i a ld a t ac o m m u n i c a t i o nc a r db a s e do np c i b u st e c h n o l o g yh a sb e e nah o tp u r s u i ti nm a r k e t t h ei s s u er o o t si nb e i j i n gv a n l i n kc o m m u n i c a t i o n & t e c h n o l o g yc o l t d i no r d e rt om e e tc u s t o md e m a n d ，a c c o r d i n gt oe x i s t i n gm p c 8 3 21 r o u t e rm o t h e r b o a r d ，t h ec o m p a n yp u t sf o r w a r da4 - s e r i a lp o r t sc a r d s o l u t i o nb a s e do np c ia g e n tm o d e p t h i sa r t i c l e p u t s f o r w a r dt h e s o l u t i o n ，t h r o u g h s c h e m e e s t a b l i s h m e n t ，c h i ps e l e c t i o n ，s c h e m a t i cd e s i g n ，p c b d e s i g n ，t h es c h e m e t a k e sm p c 8 3 21a st h em a i nc p u w h i c hc a nw o r ki nt w om o d e s b o s t m o d ea n da g e n tm o d e t h ea g e n tm o d ei sa d o p t e d t h em p c 8 3 21h a sa q u i c ce n g i n e 刑b l o c k , w h i c hh a s5u c c s t h es c h e m eu s e s 4o f t h e m ，w h i c ha r ec o n f i g u r e d a s s e r i a li n t e r f a c e t h e a g e n t b o a r d c o m m u n i c a t e sw i t hm o t h e r b o a r db yp c ia g e n tm o d e t h i se s s a yi sd i v i d e di n t ot h r e es e c t i o n si n c l u d i n gs e v e nc h a p t e r s t h e f i r s tp a r ti n c l u d e st w oc h a p t e r s , m a i n l yi n t r o d u c tt h em a j o rw o r ko n 也e s u b j e c t ，t h eb a c k g r o u n dr e s e a r c ha n dr e l a t e dt e c h n o l o g i e s t h es e c o n dp a r t i n c l u d e dt h ed e s i g ns e l e c t i o n c h i pf u n c t i o ni n t r o d u c t i o na n dt h ed e t a i l e d h a r d w a r ed e s i g no ft h er o u t e r t h el a s ts e c t i o ni sai n t r o d u c t i o no ft h e t r a n s p l a n to fo p e r a t i n gs y s t e ma n dt h ep r o b l e m m e ti nt h i sp r o j e c t k e y w o r d s ： m p c 8 3 21 ；p c ia g e n tm o d e ；s e r i a lp o r t s ；u c c s ；p c b 2 目录 第章刍旨冒。5 1 1 串口发展与标准简介5 1 2 课题背景与研究意义6 1 3 本人所做的工作。7 1 4 本文章节安排。7 第二章p c i 局部总线概述8 2 1 p c i 局部总线的发展历史及发展动态简介8 2 2 p c i 局部总线特点1 0 2 3 p c i 总线信号定义1 2 2 4 p c i 总线传输协议1 4 2 4 1p c i 总劣垄掣确铺争祝眉识j 4 2 4 2p c i 纺理趱配茔觑j j 2 4 3p c i ，掌劣说。1 5 2 5 配置空间1 6 第三章方案可行性研究1 9 3 1 市场现状与需求分析1 9 3 2 产品定位2 l 3 3方案论证2l 3 4 系统方案选取2 2 3 4 1以c p u 渊比赞与趱型2 2 3 4 2 r 詹模式撤迸露2 4 3 4 3p c i 以挨癌“潞纪2 j 3 5 板卡整体框架2 7 3 6设计中的重点与难点2 9 第四章接口板卡的硬件详细设计。3 1 4 1 系统概要设计3 l 4 1 1 串日接口叛卡功能概述3 l 4 1 2 劳目萤日街秦纺雍舅冒3 2 4 2 基于从模式的c p u 模块设计3 2 4 2 j 以c p u 矛氡i 冤漓匠奢i 与i 毋矿爹尹疟尹辱3 3 4 2 2l 亨j 蜡号3 6 4 2 3 垆断箩号3 7 4 3 p c i 接口模块设计3 7 4 3 j p c i 旌掰器! 。3 7 4 3 2 p c i 以镤司j 既置一猡 4 3 3p c i 怠鳕融r 绣痔i 毫曼卯 3 4 3 4p c i2 9 譬瓒搀萨彳彳 4 4 u c c 与串口模块设计4 7 4 4 1 p o w e r q u i c ce n g i n e 4 7 t 4 2 u c c 厦j ! 置i 4 8 4 4 3 劳臼传耢模费瑟炉j j 4 5 存储模块设计5 6 4 5 j s d r a m 狰矛5 6 4 5 2 膨孝兹铲5 7 4 5 3e 髓r d m 毖矛j 9 4 6 电源设计6 0 4 7 设计方案的总体论证6 l 第五章p c bl a y o u t 设计品 5 1 p c b 设计流程。6 3 王j ，疡饯6 厘卵 工j 2 学堙耀6 3 工j 3 后掰壅酊 5 2 从板的p c b 布局与布线6 6 5 3e 缸，e m c 6 8 第六章结束语谚 参考文献 致谢 4 ，、l 第一章绪论 1 1串口发展与标准简介 在现代工业社会中，随着电子产业的迅猛发展，电子技术与传统工业相结合 的机电一体化技术在现代工业中占据着越来越大的主导地位。各种各样的单片 机、微处理器无处不在的发挥着巨人的作用。它就像是人的大脑一样，精确的指 挥着每一部机器、每一台设备的运作。 探讨单片机、微处理器能够发挥巨大作用的机理，就是它可以将外界的指令 信息输入到自身内部，经过计算，转换成控制信息传送给外界，因此，数据的交 流是单片机、微处理器工作的重要意义所在，而串口则是单片机、微处理器内部 担负数据传送任务的最重要部件之一。 串口叫做串行接口，也称串行通信接口，按电气标准及协议来分包括 r s 2 3 2 c 、r s 4 2 2 、r s 4 8 5 、u s b 等。r s 2 3 2 c 、r s - 4 2 2 与r s - 4 8 5 标准只对接 口的电气特性做出规定，不涉及接插件、电缆或协议。u s b 是近几年发展起来 的新型接口标准，主要应用于高速数据传输领域。 r s 2 3 2 c - 也称标准串口，是目前最常用的一种串行通讯接口。它是在1 9 7 0 年由美国电子工业协会( e 队) 联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端 生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。它的全名是“数据终端设备( d t e ) 和数据通讯设备( d c e ) 之间串行二进制数据交换接口技术标准”。传统的 r s 2 3 2 c 接口标准有2 2 根线，采用标准2 5 芯d 型插头座。后来的p c 上使用简 化了的9 芯d 型插座。现在应用中2 5 芯插头座已很少采用。现在的电脑一般有 两个串行口：c o m l 和c o m 2 ，有很多手机数据线或者物流接收器都采用c o m 口与计算机相连。 r s - 4 2 2 - 为改进r s 2 3 2 通信距离短、速率低的缺点，r s - 4 2 2 定义了一种平 衡通信接口，将传输速率提高到1 0 m b s ，传输距离延长至l j 4 0 0 0 英尺( 速率低于 1 0 0 k b s 时) ，并允许在一条平衡总线上连接最多1 0 个接收器r s - 4 2 2 是一种单 机发送、多机接收的单向、平衡传输规范，被命名为t i a e i a - 4 2 2 a 标准。 r s 4 8 5 ：为扩展应用范围，e i a 又于1 9 8 3 年在r s - 4 2 2 基础上制定了r s 4 8 5 标准，增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上， 同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围，后命名 为t l a e i a 4 8 5 - a 标准。 u n i v e r s a ls e r i a lb u s ( 通用串行总线) 简称u s b ，是目前电脑上应用较广泛 的接口规范，由i n t e l 、m i c r o s o i t 、c o m p a q 、i b m 、n e c 、n o r t h e r nt d c o m 等几 家大厂商发起的新型外设接口标准。u s b 接口是电脑主板上的一种四针接口， 其中中间两个针传输数据，两边两个针给外设供电。u s b 接口速度快、连接简 单、不需要外接电源，传输速度1 2 m b p s ，最新u s b 2 0 可达4 8 0 m b p s ；电缆最大 长度5 米，u s b 电缆有4 条线，2 条信号线，2 条电源线，可提供5 伏特电源，u s b 电缆还分屏蔽和非屏蔽两种，屏蔽电缆传输速度可达1 2 m b p s ，价格较贵，非屏 蔽电缆速度为1 5 m b p s ，但价格便宜；u s b 通过串联方式最多可串接1 2 7 个设备； 支持热插拔。 r j 4 5 接口是以太网最为常用的接口，r j - 4 5 是一个常用名称，指的是由i e c ( 6 0 ) 6 0 3 7 标准化，使用由国际性的接插件标准定义的8 个位置( 8 针) 的模块化插 孔或者插头。 1 2 课题背景与研究意义 随着计算机技术的不断发展，微型计算机的体系结构发生了显著的变化。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，这直接导致了多总线结构的出现。 局部总线是多总线结构的一种，是来自处理器的延伸线路，它的发展令人瞩 目。与处理器同步的p c i 是先进的高性能局部总线。它可以同时支持多组外围设 备，支持“位数据传送，多总线主控和线性突发方式，其数据的传输率为 1 3 3 m b s 。 在p c i 局部总线出现以前，4 总线结构一般采用工业标准体系结构i s a ( 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 e ) 标准。随着c p u 的运行速度越来越快、多处理 器结构的出现、高速缓冲存储器( c a c h e ) 的广泛应用等，在i s a 总线上传输大 量数据会造成c p u 处于较长时间的等待状态。因此，原来基于i s a 插槽开发的 一些插卡( 如串口通讯卡，数据采集卡) 毫无用武之地。开发基于p c i 总线的插 卡可以说是大势所趋。 本课题就是基于p c i 总线来研制4 串口接口板卡，来源于北京万林克通信技 术有限公司，是m p c 8 3 2 1 路由器开发项目的一个子项目。4 串口接口板卡是一 种可分配4 个高速串行端口供终端连接的设备，每个终端可以通过它与主机进行 通讯。使用多串口卡是最便捷简单地解决扩展计算机外部设备数量的方案，它可 使计算机方便扩展串口，特别适用于u n i x 、l i n u x 等多用户操作系统，同样 也适用于w i n d o w s 、d o s 等操作环境。多串口通讯卡可以广泛应用于通讯银 行、金融、证券、电线、工控等领域，是计算机多用户通信控制系统重要的硬件 6 k p 乙0 | t 一 0 组成部分。 本项目是本人在分析市场需求，经过大量需求分析的基础上提出的基于p c i 从模式上独立开发的一款串口接口板卡，将m p c 8 3 2 1 芯片配置为从芯片，利用 m p c 8 3 2 1 中的u c c 模块，通过p c i 插槽接到p c i 背板上，实现了从设备与主设 备之间的通信。本项目是基于p c i 从模式的开发，是北京万林克公司完全新开发 的一种解决方案，是本人在阅读大量的p c i 相关资料的基础上独立开发的，填补 了万林克公司在此方向的空白，所以研究意义特别重要。 1 3 本人所做的工作 本人在课题中独立负责并完成了以下工作： 阅读相关的芯片手册，选取并制定符合要求的从板的设计方案。 阅读大量的p c i 的相关规范，制定符合p c i 从模式的板卡开发。 对万林克公司已有的串口传输模块进行研究，分析其存在的缺点，修改并 制定出一套符合本设计要求且简单实用的串口传输模块开发方案。 对设计中复位信号，中断信号，仲裁信号等信号和逻辑功能模块做了相关 的处理，以更好的实现从板的工作。 完成从板的原理图的设计以及p c b 板的布局与布线。， 1 4 本文章节安排 第一章介绍了本课题的开发背景和研究意义。此外，还对本人所作的工作 以及本文章节安排简单介绍。 第二章介绍了p c i 局部总线技术，包括总线特点，信号定义，传输协议和 配置空间。这些都是本课题开发的重要理论依据。 第三章论证了课题的市场情况，对现有系统方案和既往方案做出比较，并 做了系统方案的概要设计。 第四章详细陈述了了本设计的硬件详细设计，包括系统，接口等各个模块 的设计和实现。 第五章介绍了本设计中p c b 板的布局设计，p c b 的设计流程，设计中信 号完整性分析以及p c b 板的设计分析。 第六章介绍了实现中遇到的难点以及解决方法，以及通过本设计本人得到 的提高。 7 第二章p c i 局部总线概述 从1 9 9 2 年创立规范到如今，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 , 外围部件 互连总线) 总线已成为了计算机的一种标准总线。p c i 总线取代了早先的i s a 总 线。当然与在p c i 总线后面出现专门用于显卡的a g p 总线，与现在p c ie x p r e s s 总线，但是p c i 能从1 9 9 2 用到现在，说明它有许多优点，比如速度高、可靠性强、 成本低以及兼容性好、即插即用( p l u ga n dp l a y ) 、中断共享等特点，在计算机总 线标准中占了主导地位。 本设计的四串口板卡由于同时要满足数据传输速度、板卡资源自动配置等几 个方面的要求，综合考虑后采用了p c i 总线作为四串口通讯板卡总线接口。 介绍此章的目的是为第三章中p c i 接口的实现打下一个理论基础。读者将会 看到，在后续的硬件设计和软件设计中，都必须满足p c i 总线的各种规范，因此， 这一章比较重要。 2 1 p c i 局部总线的发展历史及发展动态简介 p c i 夕f 设组件互连标准( 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 i o n ) 总线虽然是由 i n t e l 公司提出的，但是必须由m m 公司说起。由于i b mp c 机系统的开放性，全世 界p c 机的制造商纷纷向其i b mp c 标准靠扰，使i b mp c 系列产品风糜全球。与此 同时，i n t e l 和m i c r o s o f t 也迅速发展壮大起来，对i b m 构成了威胁i b m 为保护自 身利益，将计算机总线由i s a 总线升级到m c a 总线，并于1 9 8 7 年4 月在p s 2 机上 推出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。 为了扼制其他厂家的仿制，i b m 公司未将m c a 总线技术标准公布于世，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 w ，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，即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 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。i n t e l 公司联合i b m 、 c o m p a q 、a s t 、h p 、d e c 等1 0 0 多家公司共谋计算机总线发展大业。1 9 9 1 年下半 8 乙 鼍j 一 p l 扣 矗 年，i n t e l 公司首先提出了p c i 总线的概念，并成立了p c i 集团。p c i 总线的英文全 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 l 瑚：髑tg r o u p ，简称p c i s i g 。i b m 、 d e c 、c o m p a q 、a p p l e 、n c r 等公司被选为领导公司，而i n t e l 贝j j 成为公司永远的 领导成员。 p c i 总线普及发展的动力之一是g u i 的发展。图形用户接口以其良好的人机 界面和操作方便等性能得到了迅速发展，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。请看下面的计算：在多媒体视频图像显示 中，设分辨率为6 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= 6 4 0 x 4 8 0 x 3 0 x 3 = 2 7 6 4 8 m b s ，高速光纤网10 0 m b s 的传速率需要总 线的吞吐量为：1 0 0 m b sf d d i 的吞吐量= l o o m b s = 1 2 5 m b s ，由此看出，1 0 0 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规定。一般地，一条总线可能挂接3 - 5 个高速外设，因 而总线的最大传输率应为高速外设的3 5 倍。即：总线最大传输率= ( 3 5 ) 高速 外设吞吐量。由此可计算出多媒体视频播放卡对总线最大传输率的需求为：t r a n m u l t i m e c l i a = 2 7 6 4 8 x ( 3 - - - 5 ) = 8 2 9 4 4 , - - , 1 3 8 2 4 m b s ，在1 0 0 mf d d i 光纤高速网络中， 对总线最大传输率的需求为：t r a nf d d i = 1 2 5 x ( 3 - - , 5 ) = 3 7 5 , - , 6 2 5 m b s ，而i b m 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 ，这远不能满足图形操作系 统和高速网络的要求。而p c i 总线的传输率为1 3 3 m b s ，v l - b u s 为2 6 6 m b s ，这 类总线可以满足以上要求。p c i 总线得以发展的一个重要原因，是它可以降低系 统成本。用大量面向p c i 总线的处理芯片构造设计的系统机、工作站、外围设备 及板卡的性能十分优越，处理能力、智能控制程度、传输速度都很高。这些性能 的实现，若不采用面向 p c i 的芯片设计，将使成本升高1 0 - - - , 1 5 。因而，p c i 总线 一推出，就被计算机和外围设备厂商竟相采用。值得一提的是，v l - b u s ( 有人称 v e s a 总线) 的性能也十分优越，但它就没有p c i 总线那样“火 。原因就是v l b u s 为i 4 8 6 芯片专用，不支持5 8 6 c p u ，中间还须增加桥接电路。其次，它是非多路 复用，信号庞杂；另外还有5 v , 3 3 v 信号环境等问题。有些设计师说，v l b u s 是搿不严谨的。但笔者认为，该总线在i 4 8 6 微机上仍是一个经济实用的高性能总 线。p c i 总线正在成为事实上的标准。尽管几年前局部总线标准在4 8 6 机器中曾经 风光一时，但在p e n t i u m 机器中，p c i 总线已明显优于v l - b u s 。在网络应用中， i b m 公司已经在销售含有p c i 插槽的服务器，该公司将要逐步淘汰m c a 总线结构 的服务器。对a p p l e 来说，尽管n u b u s 总线已忠实为用户服役了七年，现在也不 得不让位于p c i 总线。 9 2 2p c i 局部总线特点 p c i 总线是目前应用最广泛的局部总线。它经历两种规范：p c iv 1 0 规范支 持3 3 m h z 工作频率，最大传输带宽为1 3 2 m b s ，p c iv 2 1 规范支持6 6 m h z 频率， 传输速率可达2 6 4 m h z 和5 2 8 m h z 。 下图为p c i 总线结构图： 图2 1p c i 总线结构图 典型的p c i 总线结构如图2 1 所示。处理器、高速缓存器和存储器通过p c i 桥连接到p c i 总线上。此桥提供了一个低的潜在路径，通过它，处理器可能直接 访问映射到存储器和i o 地址空间的p c i 设备；此桥也提供了一个高数据带宽， 允许p c i 主设备直接访问主存储器。此桥也包含了可选的功能，比如仲裁和热插 拔。 p c i 总线定义了3 2 位数据总线，且可扩展为6 4 位。3 2 位p c i 有1 2 4 i j 脚，6 4 位 有18 8 弓1 脚，目前常用的是3 2 位p c i ，其数据传输率为1 3 3 m b s ，大大高于i s a 。 它体积较小，支持无限读写猝发操作，支持并发工作方式，即多组外围设备可与 c p u 并发工作。 在图2 1 中，和p c i 总线直接相连的设备被称为p c i 设备。它分为两种，一 种被称为p c i 主设备，这种设备可以获得总线的控制权；另一种设备称为p c i 从设备，这种设备不能获得总线的控制权，只能被动地响应c p u 或p c i 主设备 发出的传输请求。在本设计中，m p c 8 3 2 1 芯片以及各串口连接的设备都是从设 备，受主板c p u 的控制。 不同于i s a 总线，p c i 总线的地址总线与数据总线是分时复用的。这样做的 l o 3 、1 一 、 o 靠 好处是，一方面可以节省接插件的管脚数，另一方面便于实现突发数据传输。在 做数据传输时，由一个p c i 设备做发起者( 主控，i n i t i a t o r 或m a s t e r ) ，而另一个 p c i 设备做目标( 从设备，t a r g e t 或s l a v e ) 。总线上的所有时序的产生与控制，都 由m a s t e r 来发起。p c i 总线在同一时刻只能供一对设备完成传输，这就要求有一 个仲裁机构( a r b i t e r ) ，来决定谁有权力拿到总线的主控权。 当p c i 总线进行操作时，发起者( m a s t e r ) 先置r e q # ，当得到仲裁器( a r b i t e r ) 的许可时( 删) ，会将f r a m e # 置低，并在a d 总线上放置s l a v e 地址，同时c b e # 放置命令信号，说明接下来的传输类型。所有p c i 总线上设备都需对此地址译码， 被选中的设备要置d e v s e l # 以声明自己被选中。然后当i r d y # 与t r d y # 都置低 时，可以传输数据。当m a s t c r 数据传输结束前，将f r a m e # 置高以标明只剩最后 一组数据要传输，并在传完数据后放开i r d y # 以释放总线控制权。 p c i 还支持即插即用，所谓即插即用，是指当板卡插入系统时，系统会自动 对板卡所需资源进行分配，如基地址、中断号等，并自动寻找相应的驱动程序。 而不像旧的i s a 板卡，需要进行复杂的手动配置。 实际的实现远比说起来要复杂。在p c i 板卡中，有一组寄存器，叫“配置空间” ( c o n f i g u r a t i o ns p a c e ) ，用来存放基地址与内存地址，以及中断等信息。 以内存地址为例。当上电时，板卡从r o m 里读取固定的值放到寄存器中， 对应内存的地方放置的是需要分配的内存字节数等信息。操作系统要根据这个信 息分配内存，并在分配成功后把相应的寄存器中填入内存的起始地址。这样就不 必手工设置开关来分配内存或基地址了。对于中断的分配也与此类似。 p c i 总线的中断共享由硬件与软件两部分组成。 硬件上，采用电平触发的办法：中断信号在系统一侧用电阻接高，而要产生 中断的板卡上利用三极管的集电极将信号拉低。这样不管有几块板产生中断，中 断信号都是低；而只有当所有板卡的中断都得到处理后，中断信号才会回复高电 平。 软件上，采用中断链的方法：假设系统启动时，发现板卡a 用了中断7 ，就 会将中断7 对应的内存区指向a 卡对应的中断服务程序入u i i s ra ；然后系统发现 板卡b 也用中断7 ，这时就会将中断7 对应的内存区指向i s rb ，同时将i s rb 的 结束指向i s ra 。以此类推，就会形成一个中断链。而当有中断发生时，系统跳 转到中断7 对应的内存，也就是i s rb 。i s rb 就要检查是不是b 卡的中断，如果 是，要处理，并将板卡上的拉低电路放开；如果不是，则呼n q i s ra 。这样就完 成了中断的共享。 通过以上讨论，我们不难看出，p c i 总线有着极大的优势。而近年来的市场 情况也证实了这一点。 2 3p c i 总线信号定义 p c i 总线是微型机上的处理器存储器与外围控制部件、外围模块之间的互连 机构，它规定了互连机构的协议、电气、机械以及配置空间规范。在电气规范方 面还专门定义了5 v 和3 3 v 的信号环境。p c i 总线规范2 1 版还定义了6 4 位总线扩 展和6 6 m h z 总线时钟的技术规范。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。虽然它是i n t e l 公司提出的，但却并不仅局限于i n t e l 系列的处理 器，当今流行的其他处理器系列，如p o w c r p c 系列、t id s p6 2 系列以及未来多 处理器结构的下一代处理器都可以使用p c i 局部总线。p c i 总线具有如下特点： 高性能、猝发传输、延迟小、采用总线主控和同步操作、不受处理器的限制、适 合各种机型( 台式机、便携式电脑、服务器以及工控机) 、兼容性强、成本低、预 留了发展空间由于p c i 总线其先进的而稳定的总线传输方式。 p c i 总线要求作为从设备至少有4 7 条引脚，作为主设备至少有4 9 条引脚。 一 ，二! 二 一： 、 、l p i ：j 0 0 j删6 3 ：3 2 a d d r e s sj ， ， 一一 、o 、 5u a 冶 h c 馆e p ：o m：c b e 7 ：4 臀) 、 6 4 - 8 i j d 口、 队r h e x t e n s i o n 、厂 r e q 6 4 # ，口a 叠 )a c k 6 4 # 、厂 p c，t 口n v 显、- - 、