（通信与信息系统专业论文）基于pci总线的高速数据采集卡设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着大规模集成电路和计算机技术的飞速发展，数字技术渗透到各个技术 领域。但是自然界中大多数物理信号却是模拟信号，因此，将模拟信号转化成 数字信号是进行信号处理和分析的首要前提。数据采集系统即是完成将模拟信 号转换成计算机能识别的数字信号的任务。 传统的数据采集系统是基于i s a 总线设计的，由于i s a 总线带宽的限制， 无法满足高速数据传输的要求。而p c i 局部总线的引入，打破了数据传输的瓶 颈，它以其优异的性能成为微机总线的主流。基于p c i 总线的数据采集系统是 高速数据采集的发展方向。传统数据采集卡一般使用s r m d 或s d r a m 作为数 据缓存，s r a m 容量小，价格昂贵，s d r a m 价格便宜，但数据传输带宽有限， 本文采用d d rs 淑m 作为缓存，存取速率离，存储容量大，且价格便宜。 本文从硬件设计和驱动程序开发两个方面对基于p c i 总线的高速数据采集 卡进行了研究。论文中酋先讨论了d d rs d r a m 的特性，d d r 控制器的基本结 构和时序，以及p c i 总线的基本结构和时序，并介绍了f p g a 的基本原理和开 发过程。然后对基于p c i 总线的商速数据采集卡的各模块进行了详细的设计， 包括a d 转换接口设计，d d r 控制器设计和p c | 总线控制器模块设计。文巾采 用f p g a 实现了d d r 控制器功能和p c i 总线控制器功能。外加d d r 存储器作 为高速缓存是提高数据采集卡采样速率的一个重要措施，a d 转换芯片的数据通 过d d r 控制器存入d d rs d r a m ，d d rs d r a m 中的数据再通过p c i 总线传 给上位机处理，完成了对信号的采样、数据的存储和传输功能。论文给出了用 f p g a 进行时序逻辑设计的基本原理图和v e r i l o g 程序。最后还介绍了对p c i 总 线数据采集卡驱动程序w d m 的开发及编程方法。 通过仿真和测试，该数据采集卡采样率可达到2 5 0 m s p s ，存储容量可达 1 g b y t e 。 关键字：数据采集，p c i 总线，d d r 控制器，f p g a 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fl s i ( l a r g es c a l ei n t e g r a t i o n ) a n dc o m p u t e r s c i e n c e ，d i g i t a lt e c h n o l o g yh a sp e n e t r a t e di n t oe v e r yf i e l do fk n o w l e d g e a sm o s t p h ) 7 s i c a ls i g n a l si nt h en a t u r ea r ea n a l o gs i g n a l s ，t h ec o n v e r s i o nf r o ma n a l o gs i g n a l s t od i 西a ls i g n a l sh a sb e c o m et h ek e ys t e pi nt h ep r o c e s so fs i g n a lp r o c e s s i n ga n d a n a l y s i sc o n t r 0 1 d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mc o n v e r t sa n a l o gs i g n a l st od i g i t a ls i g n a l s ， w h i c hc a l lb er e c o g n i z e db yc o m p u t e r t r a d i t i o n a ld a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi sd e s i g n e db a s e do ni s ab u s b u tw i t ht h e l i m i t so fi t sb a n d w i d t h ，i ti sd i f f i c u l tt op e r f o r mh i g h s p e e dd a t at r a n s m i s s i o n p c i l o c a lb u s ，w i t hi t so u t s t a n d i n gc a p a b i l i t ya n de x c e l l e n ta d a p t a t i o n ，h a sr e s o l v e dt h i s p r o b l e ma n db e c o m et h em a i nb u s 证t h ec o m p u t e r p c ib u s b a s e dd a t aa c q u i s i t i o n s y s t e mh a sp l a y e dad o l l i i n a n tr o l e i nh i g h - s p e e dd a t aa c q u i s i t i o n m e a n w h i l e t r a d i t i o n a ld a t aa c q u i s i t i o nb o a r du s e ss r a mo rs d r a ma sd a mb u f f e r a ss r a m h a sl o wc a p a c i t ya n d 圭l i 啦lc o s t ，w h i l es d 洲h a sl o wc o s ta n dl i m i t e dt r a n s m i s s i o n b a n d w i d t h d d rs d r a mi sa d o p t e da sd a t ab u 船ri nt h i sp a p e r , w h i c hh a sm e r i to f h i g l ls p e e d ，h i s hc a p a c i t ya n dl o w c o s t p c ib u s - b a s e dh i g h s p e e dd a t aa c q u i s i t i o nb o a r d ，i n c l u d i n gh a r d w a r cd e s i g na n d d r i v e rp r o g r a m i sr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r , f e a t u r e so fd d rs d r a m ，b a s i c c o n f i g u r a t i o na n dt i m i n go fd d rc o n t r o l l e r , t o g e t h e rw i t hb a s i cc o n f i g u r a t i o na n d t i m i n go fp c ib u s ，a r ed i s c u s s e df i r s t ，w h i l eb a s i ct h e o r ya n dd e v e l o p m e n tp r o c e s so f f p g aa r ei n t r o d u c e d t h e ne a c hm o d u l eo np c ib u s - b a s e dh i 曲- s p e e dd a t a a c q u i s i t i o nb o a r di sd e t a i l e dd e s i g n e d f p g ai sa d o p t e dt or e a l i z ef u n c t i o n so fd d r c o n t r o l l e ra n dp c ib u sc o n t r o l l e ri nt h i sp a p e r t h ea c c e s s i o no fd d rc o n t r o l l e ra s d a t a b u f f e ri sa ne f f e c t i v em o 冶s u r ct oe n h a n c et h es a m p l i n gf r e q u e n c yo fd a t a a c q u i s i t i o n d a t aa f t e ra dc o n v e r s i o nw i l lb es t o r e di nd d r s d r a mt h r o u g hd d r c o n t r o l l e r , a n dt h e nt h es t o r e dd a t aw i l lb et r a n s m i t t e db yp c ib u st ou p p e rc o m p u t e r f o rp r o c e s s i n g t h ew h o l eb o a r dr e a l i z e sf u n c t i o n so fs i g n a ls a m p l i n g ，d a t as t o r a g e a n dd a t at r a n s m i s s i o n 1 ks c h e m a t i c sa n d 、铡l o gs o u r c ep r o g r a mo ft i m i n gl o g i c a l d e s i g nu s i n gf p g a a r ep r e s c n t c di nt h ep a p e r a tt h ee n do ft h ep a p e r , d e v e l o p m e n t o f d r i v e rp r o g r a mw d mf o rp c ib u s b a s e dd a t aa c q u i s i t i o n ：b o a r di sm e n t i o n e d m u g hs i m u l a t i o nt e s t t h es a m p l i n gf r e q u e n c yo ft h eb o a r dc a nr e a c h2 5 0 m s p s ，w h i l es t o r a g ec a p a c i t yc a na c h i e v e1g b y t e k 目y w o r d s ：d a t aa c q u i s i t i o n ，p c ib u s ，d d rc o n t r o l l e r , f p g a l i 独创性声明 y8 6 14 0 5 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的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过昀材料。与我一同工作的同志对本研究所傲豹任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：崔鳌毖趁日期：滏堕：里：塑 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被壹阅和借阕；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其饱复制手段保存论文。 f 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：毽妊拄 ( 注：此页内容装订在论文扉页) 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究的目的与意义 数据采集是指将温度、压力、流量、位移等模拟量采集、转换成数字餐后， 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，数据采集系统也迅速地得到应用，在 生产过程中，应用这一系统可对生产现场的工艺参数进行采集、监视和记录， 为提高产品质量，降低成本提供信息和手段。在科学研究中，应用数据采集系 统可获得大量的动态信息，是研究瞬间物理过程的有力工具，也是获取科学奥 秘的重要手段之一。随着技术的发展，各种各样基于数字化的产品不断推陈出 新，给我们的生活带来了极大的好处，数字化之所以能如此得到广泛拓展开来， 其主要在于以下两个优点：其一是数字处理灵活、方便。在软件无线电领域， 正在构建一个较通用的平台，通过软件来实现现在许多“僵化”硬件平台的功能， 这正是基于数字化带来的灵活性；其二是数字系统稳定可靠。在早期，较之模 拟系统，数字系统的最大优点就在于有良好的稳定性【1 】【2 1 。 数据采集的任务，具体地说，就是采集传感器输出的模拟信号并转换成计 算机能识别的数字信号，然后送入计算机或相应的信号处理系统，根据不同需 要进行相应的计算和处理，得出所需的数据；与此同时，将计算机得到的数据 进行显示或打印，以便实现对某些物理量的监视，其中一部分数据还将被控制 生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。数据采集几乎无孔不入， 它已渗透到了地质、医药器械、雷达、通讯、遥感遥测等各个领域，为更好的 获取信息提供了良好的基础。 另外，评估一个信号源的质量，也可以通过数据采集的手段将信号采集存 入计算机，再通过各种处理方式来评价信号源的好坏。这时，该数据采集系统 就类似一台测试仪器。当然，我们得认可系统的各项指标满足要求【3 l 舢。 武汉理：= 犬学硕士学位论文 1 2 数据采集的匿内外研究现状 随着微电子技术的飞速发展，高速数据采集技术也得到了长足的发展。数 字存储示波器是典型的数据采集系统。随着其采样率的不断提高，它已成为高速 或超高速数据采集系统。制造高速或超高速采样率的数字存储示波器的公司主 要有a g i l e n t ，t e k l x o n i x ，n i c o l e t 和l e c r o y 等，数字存储示波器的最高采样率也已 达到l og s p s 。另外，逻辑分析仪、频谱分析仪、网络分析仪等也属于超高速数 据采集系统范畴 5 】1 6 1 。 基予标准总线并带有高速d s p 的高速数据采集板卡产品非常多，技术先进、 市场主流的厂商主要有s p e c t r u ms i g n a lp r o c e s s i n g ，s p e c ，s i g n a t e c ，a c q u i s i t i o n l o g i c ，b l u e w a v e 等公司。下面扼要介绍目前世界上最先进的数据采集系统产品 及其技术性能指标。 s p e c t r u ms i g n a lp r o c e s s i n g 公司推出的采样率2 0 0 m s p s8 ba dv m e 板卡是 基于v m e 总线和高速d s p 的超高速数据采集和处理系统。该板卡集成有一片1 2 亿次秒浮点数运算速度a d s p 2 1 0 6 x s h a r c 处理器。其主要技术指标还包括： 1 2 8 k b 4 8 b 或5 1 2 k b x 4 8 b 零等待s r a m ；6 个s h a r cl i n k 口：输入电压范围 士o 5 v ； 输入时钟可选为2 0 0 m h z ，1 0 0 m h z 或5 0 m h z ；多种触发模式；两个9 6 脚v m e 总线连接器 p p l 和用以及6 个s h a r cl i n k 口连接器。该板卡配有初始化 与数据采集软件，并支持a p e x 并行软件开发工具。 s p e c 公司的s p l 2 2 5 是带有1 g s p s8 b 精度数字化仪的超高速数据采集模块 ( h s d a m ) p c i 卡。最高可进行5 0 0 m h z 或1 g h z 波形分析。s p l 2 2 5 i 作在连续采样 模式，可进行预触发数据存储。在波形数字化并存储在2 5 6k b 存储嚣后，数据 可通过p c i 总线传输给p c 机。采集系统的核1 5 , 是s p e c sh s d a mp c b 模块， h s d a mp c b 模块包含一个定制的g a a sa s i c 数据采集控制器、一个a d 转换器 及2 5 6 k b 存储器。该板卡触发方式、门限及采集模式均可通过p c i 总线由用户编 程设置。其它特性包括可编程数字门限比较器、可编程采样率卜1 ，2 ，4 ，2 5 6 1 和可编程预触发延迟等。其应用领域包括静态分析、频谱分析、激光多普勒速 度测量、光时间域反射测量等。 s i g n a t e c 公司是有着十多年历史的，面向商性能数据采集、信号处理、波形 产生和数据存储等应用的p c 机板卡设计制造商。s i g n a t c c 推出的a d 板卡p d a 1 2 a 采样率为1 2 5 m s p s ，分辨率为1 2 b ，信号带宽由d c 5 0 m h z 。可通过s a b 总 武汉理工大学硕士学位论文 线( s i g n a t e ca u x i l i a r yb u s ) 以2 5 0 m b p s 的速率向其它处理、回放或存储器件传输数 据。还能通过p c i 总线d m a 模式以1 0 0 m b p s 速率传输数据。p d a1 2 a 实际上是由 双通道信号同时采样，每通道采样率6 2 5 m s p s ，两通道正交采样可获取1 2 5 m s p s 采样率。单通道的数据存储空间为2 5 6k b x l 2 b 或1 m b x l 2 b 两种可选。 s i g n a t e c 公司的基于p c i 总线8 ba d 板卡p d a5 0 0 采样率高达5 0 0 m s p s ，带宽 为d c 5 0 0 m h z 。可通过s a b 2 总线( s i g n a t e ca u x i l i a r yb u s2 ) 以5 0 0 m b p s 的速率 向其它处理、回放或存储器件传输数据。还能通过p c i 总线d m a 模式以1 0 0 m b p s 速率传输数据。存储容量1 m b 或4 m b 两种可选，用主从配置模式最多4 块p d a5 0 0 可互联用于多通道高速同步采集。根据内存配置与s a b 结构豹不同，其报价从$ 6 1 0 0 到$ 7 5 0 0 1 ，i “。 2 0 0 1 年a c q u i s i t i o nl o g i c 公司推出基于p c i 总线的采样率分别为5 0 0 ms p s ， 1 g s p s8 b 数据采集板卡a l 5 0 0 和a l 5 l g ，其存储深度为6 4 m b ，2 5 6 m b 和1 0 0 0 m b 三种可选。p ci 总线为主模式，数据宽度为3 2 b ，时钟频率为3 3 m h z ，突发模式 下传输速率高达1 3 3 m b p s 。两种板卡还具有d s p 功能：通过对板卡上现场可编程 门阵列f p g a 硬件实现信号处理：能实时地完成输入数据为2 0 0 m h z 带宽2 次型插 值或4 0 0 m h z 带宽4 次型插值运算等。 2 0 0 3 年2 月u l t r a v i e w 公司制造出基于p c i 总线的采样率为1 2 5 g s p s8 b 数据采 集卡，型号为a d 2 1 2 5 0 d m a ，其存储深度为8 g b 。在6 6 m h z 和6 4 b 数据宽度下， p c i 总线d m a 模式向主机传输数据速率可达3 2 0 m b p s 。此卡可用于基于p c i 总线 的运行操作系统为s o l a r i s 8u n i x 的s p a r c 所有平台。其报价为$ 1 2 9 5 5 。 通过上面的介绍可看出：除了属于通用仪器的超高速数据采集系统以外， 对于其它超高速数据采集系统而言，基于标准总线、具有海量数据存储深度、 高速d s p 能力和超高速a d 所组成的超高速数据采集系统为当今发展趋势。在设 计和选用系统时，就要有这四方面的考虑，即不但要考虑超高速数据采集部分， 还要考虑其标准总线接口、数据存储深度和d s p 处理器的性能，因为系统的艇体 性能已不单是超高速数据采集部分的性能，标准总线接口、数据存储深度和d s p 也已成为评价系统整体性能的重要指标。对于不同应用领域或不困的应用环境 和要求，系统的这四个组成部分会有所区别。在工业控制、自动测试和信号处 理领域应用广泛的标准总线有c o m p a c t p c i ，p x i ，p c i ，p m c ，v m e 和v x i 等， 每一种总线都有自己的特点，所以总线的选择对于系统来说是很重要的。 目前国内市场上的高速数据采集卡的采样频率般在1 0 0 m s p s 以内，这主 武汉理工大学硕士学位论文 要是受到a d 芯片和存储器带宽的影响。高速a d 芯片全靠从国外进口，一是价 格非常昂贵，二是区域性的技术保密，解决这种局面的途径需要从芯片设计上 着手。随着d d r 存储器芯片在p c 上的广泛应用，高端嵌入式系统设计领域也 开始使用d d r 存储器，本论文在f p g a 上实现了d d r 控制器接口，使用d d r 存储器芯片作为缓存，提高了存储速率，加大了存储容量，解决了存储带宽的 影响 9 1 1 1 0 1 。 1 3 本论文的主要工作 本文从硬件设计和驱动程序开发两个方面对基于p c i 总线的高速数据采集 卡进行了研究。论文中首先讨论了d d rs d r a m 的特性，d d r 控制器的基本结 构和时序，以及p c i 总线的基本结构和时序，并介绍了f p g a 的基本原理和开 发过程。然后对基于p c i 总线的高速数据采集卡的备模块进行了详细的设计， 包括a d 转换接口设计，d d r 控制器设计和p c i 总线控制器模块设计。文中采 用f p g a 实现了d d r 控制器功能和p c i 总线控制器功能。外加d d r 存储器作 为高速缓存是提高数据采集卡采样速率的一个重要措施，a d 转换芯片的数据通 过d d r 控制器存入d d rs d r a m ，d d rs d r a m 中的数据再通过p c i 总线传 给上位机处理，完成了对信号的采样、数据的存储和传输功能。论文给出了用 f p g a 进行时序逻辑设计的基本原理图和v e r i l o g 程序。最后还介绍了对p c i 总 线数据采集卡驱动程序w d m 的开发及编程方法。 本文共分为五章：第一章绪论，概述了研究数据采集系统的目的和意义， 以及国内外数据采集系统的研究现状；第二章介绍了d d r 控制器以及p c i 总线 协议的相关理论，同时介绍了f p g a 的开发流程和v e r i l o g 语言相关知识：第三 章首先对高速数据采集卡进行了总体设计，然后对各个模块的设计做了详细分 析：第四章论述了数据采集卡的驱动开发和应用软件设计：第五章对所设计的 数据采集卡进行了测试和性能分析，得出了结论；第六章归纳了本文的主要工 作，并展望了今后的研究工作。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章d 豫洲及p c i 协议研究 d d rs d r a m 是一种带同步接口的高速动态随机存储器，这种同步接口和 其内部的p i p e l i n e 结构，使它具有非常高的数据传输率。d d rs d r a m 采用了 多块( b a n k ) 存储器结构和突发模式，b a n k 的数量以及荦亍列地址韵位数主要取决 于存储器的容量，每一个b a n k 通过行列来寻址。列地址空间对应一页的存储器 空间( o r jd d rs d r a m 中的1 页即为d d rs d r a m 一行的数据容量) 。d d r s d r a m 与s ds d r a m 最大的不同在于前者内部有d l l 模块和d q s 模块，因 而能提供很好的d q s 信号用于数据采样，使得d d r 可以在时钟的上下边沿都 进行数据采样，而后者只在时钟的上边沿采样数据【1 i 】。 d d rs d r a m 器件的管脚分为以下几类【1 2 1 ： ( 1 ) 控制信号管脚：包括片选( c s ) ，时钟( c l k ) 时钟使能( c k e ) ，行、 列地址选择( r a s 、c a s ) ，读写选择( w e ) ，数据选通( d q s ) ，数据屏蔽( d m ) 。 ( 2 ) 地址信号管脚：s a ，是分时复用管脚。根据行、列地址选择管脚，控制 输入的地址为行地址或列地址，而在初始化时用于传送模式字数据给d d r s d r a m 内的模式寄存器。 ( 3 ) 数据管脚：d q ，是双向管脚。 2 1 2 叻r 爨利落的 d d rs d r a m 的命令由一些专用控制引脚和地址线辅助完成。 c s r a s c a s w r 在时钟上升沿的状态决定具体操作动作，地址线和b a n k 选 择控制线在部分命令中作为辅助参数输入。特鄹需要注意的是d d r _ s d r a m 的 d q s 信号十分特殊，d q s 在d d rs d r a m 的写操作时是由外部提供给d d r s d r a m ，而在读d d rs d r a m 时，d q s 由d d rs d r a m 提供给外部用户。由 武汉理工大学硕士学位论文 于特殊的存储结构，d d rs d p 渔m 命令比较多，其命令的真值袭如表2 - 1 所示。 表2 - 1d d rs d r , 蛆v t 的命令真值表 一_ 一 a i o a p a ，0 ：热 n o t ec o m m _ c k l 弧雨器；醛w eb 吼1 r e g i s t e r e x t e n d e dm r sllo p c o o e r e g i s t e r m o d er e g t s e rs e tlo p c o d e 2 a 时or e f r e s hh l h e n t t y h e x f ll 3 b a n k a 酬v e r o w a d d fhxllhr o wa d d r e s s r e a d & i a u t op l b c h a r g ed i s a b l e hxllv o c d 们p c 。i ”m na 州俯昌s 1 a u t op r e c h a r g ee n a b l eh 】 w r i t e i a u t op r e c h a r g ed i s a b l e v l c 曲聃f l o “m “a 6 0 佬辅i a u t o p m c h j r g e e n a b l e 4 ，6 8 u r s ts t o phx l h b a n ks e l e d b nv g e b a n k s xllh x e n t r y a c m v ep o w e rd o w n e x i tlhxx xx e n t r yl h p r e c h a r g ep o w e ro o w r lm o d e e x i tl d m ( u d m l d mf o rx 1 6o n l y )8 h xx g n oo p e r a t i o n ( n o p ) n o td e f i n e d l h h 空操作( n o p ) ： 表示空操作，可以用来在空闲或等待状态防止其它的命令被执行。 模式字设置( e m r s 、m r s ) ： 在时钟的上升延，当d d rs d r j u v 检测到信号c s = 0 ，r a s = 0 ，g a s = 0 ， w e = 0 ，则进行模式字设置操作( e m r s 、m r s ) 。该操作通过行列地址( a 0 a 1 1 ) 和b a n k 地址( b a 0 、b a i ) 的值来配置器件模式寄存器，如果没有掉电或被 重新配噩，寄存器中的值会一直保持不变。模式寄存器的设置值必须与器件的 延迟参数以及与读写操作的控制时序等要求一致，否则将导致错误或不可靠的 读写。 本系统使用的是s a m s u n g 公司的d d rs d r a m ，该器件有两个模式寄存 器：模式寄存器( m r s ) 和扩展模式寄存器( e m r s ) 。通过b a 0 来判断是对哪 个模式寄存器设置。m r s 模式寄存器用来确定d d rs d r a m 的其体】：作模式。 内容包括：定义突发读写的数据长度，突发的类型( 即选择是顺序突发还是问 隔突发) ，c a s 的大小( 即读命令发出和第一个有效数据读出之间的时间间隔大 6 武汉理。j ：人学硕士学位论文 小) ，运行模式( 即正常模式或者厂商测试模式选择) 和d l lr e s e t 。而e m r s 主要用来控制一些m r s 未定义的功能设景。包括：d l l 的使能开启选择等。 b a n k 激活( a c t i v e ) 在对d d rs d r a m 进行读、写操作之前，必须先用a c t i v e 命令来使需要 操作的行处于“打开”的状态。在时钟的上升延，当d d rs d r a m 检测到信号 c s = 0 ，r a s = 0 ，c a s = i ，w e = i ，则进行a c t i v e 操作。a c t i v e 命令用来激 活特定b a n k ，并打开该b a n k 中的某一行，为接下来的操作做准备。在进行 a c t i v e 命令的同时，b a 0 和b a l 的值用来选择需要激活的b a n k ，地址线 a 0 a 1 1 的值用来选择相应的行。b a n k 激活命令到后续读写的延迟必须一；小于 d d rs d r a m 的r a s 到c a s 延迟时间指标( t r c d ) 。所以在控制d d rs d r a m 时，激活b a n k 后，必须等至少t r c d 的时间后才能进行有效的读、写操作。 此外，当一个b a n k 中有一某行被打开后，如果要想读或写同一个b a n k 中的其它行，就必须先关掉该b a n k ，然后再重新激活该b a n k 并打开新的一 行。对b a n k 进行p r e c h a r g e 操作即可关掉该b a n k ，两次激活的间隔应不 小于r a s 周期时间指标( t r c ) 。被打开的行保持打开激活状态直到下一次所在 b a n k 执行p r e c h a r g e 命令。b a n k 激活有效时间为t r a s ( m a x ) 。 读操作( r e a d ) 在一个b a n k 被激活后，经过t r c d r 时间就可以执行读操作了。在时钟 的上升延，当d d rs d l u m 检测到信号c s = 0 ，r a s = i ，c a s = 0 ，w e = i ，贝| ：| 进 行读操作。在r e a d 命令发出的同时，b a 0 和b a l 的值用来选择要操作的b a n k ， 地址线a 0 ，a 7 ( 不同器件的列地址宽度不同) 的值用来选择开始的列地址。a p 的值决定是否需要自动p r e c h a r g e 这个功能( 注意，通常不同的器件的a p 不同，本系统所用d d rs d r a m 器件的a _ p 为a 8 ) 。如果a p = i ，那么在读完后， d d rs d r a m 芯片会自动执行内部p r e c h a r g e 的命令，在这个内部 p r e c h a r g e 命令没有执行完之前，对该b a n k 的任何操作( r e a d ，w r i t e ， p r e c h a r g e ，a c t i v e ) 都是无效的：如果不选用自动p r e c h a r g e 即a p = 0 ， 那么被访问的行在读完后仍保持“打开”的状态可供下次读写( 注意，该行打开的 有效时间为t r a s ( m a x ) ，不同器件t r a s 不同) 。在发出r e a d 命令后，要等待 c a s 延时后有效数据才会出现在数据线上，c a s 延时一般为两个或三个时钟周 期，不同器件的c a s 时间是不同的。要注意的是，在d d rs d r a m 的r e a d 操作时，d q s 信号是由d d r s d r a m 器件自己产生的。读操作时，d q 与d q s 武汉理工人学硕士学位论文 的关系如图2 - t 所示： c l k 个个个个小个介f 删。1 _ p 广广 r _ 1 呵t 。q s 十十1，r 、一卜t - 1 _ 。q _ 卅斗 图2 一l 读操作的d q 与d q s 关系图 写操作( w r i t e ) 与r e a d 命令相似，在一个b a n k 被激活后t r c d w 经过时间，就可以执 行写操作了。在时钟的上升延，当d d rs d r a m 检测到信号c s = 0 ，r a s = l ， c a s = 0 ，w e = 0 ，则进行写操作。在w r i t e 命令发出的同时，b a 0 和b a l 的值 用来选择要操作的b a n k ，地址线a 0 a 8 ( 1 6 位数据的情况) 的值用来选择开始 的列地址。a p 的值决定是否需要自动p r e c h a r g e 这个功能，如果选用，那么 在写完后芯片会自动执行内部p r e c h a r g e 的命令，在这个内部p r e c h a r g e 命令没有执行完之前，对该b a n k 的任俺操作( r e a d ，w r i t e ，p r e c h a r g e ， a c t i v e ) 都是无效的；如果不选用自动p r e c h a r g e ，那么被访问的行在写完 后仍保持“打开”的状态可供下次读写( 注意，该行打开的有效时问为 t r a s ( m a x ) ) 。在对d d r s d r a m 写操作时，在输入数据的同时，须由外部提供 d q s 信号给d d rs d r a m 器件的。写操作时d q 与d q s 的关系如图2 2 所示： c - k 个个个个小介一个小个彳 州。1 - 哪p r 广1 1 下下 n 。q sh 八八r t 十十十十 。q 上ls bl l l l 一上上 、 i li i li i 图2 2 写操作的d q 与o q s 关系图 预充( p r e c h a r g e ) 在时钟的上升延，当d d rs d r a m 检测到信号c s = 0 ，r a s = 0 ，c a s = i ， w e = o ，则进行p i 也c h a r g e 操作。在发出p r e c h a r g e 命令时，若a p = i 的， 对将所有的b a n k 进行p r e c h a r g e 操作；若a p = 0 ，则对所选择的某个b a n k 武汉理【= 大学硕士学位论文 进行p r e c h a r g e 操作，此时，由b a 0 和b a l 的值用来选择b a n k 。该命令 是把一个或所有激活b a n k 关掉，使b a n k 再次处于空闲状态，以便可以激活 同一一b a n k 中并打开其中其它的行。p r e c h a r g e 命令也会起到中止上一个 r e a d 或w r i t e 命令的作用。预充命令操作完，必须经过器件规定的t r p 时间 后才+ 能进行其它操作。 突发终止( b u r s tt e r m i n a t e ) 在时钟的上升延，当d d rs d r a m 检测到信号c s = 0 ，r a s = i ，c a s = i ， w e = 0 ，则进行突发终止操作。该命令用来停止正在进行的突发操作，并停【l ： d d rs d r a m 的d q s 信号的产生。在d d rs d r a m 里，该突发终止命令只对 读操作有效。 a u t or e f r e s h 在时钟的上升延，当d d rs d r a m 检测到信号c s = 0 ，r a s = 0 ，c a s = 0 ， w e = i ，则进行自动刷新操作。该命令用于对d d rs d r a m 进行刷新。d d r s d r a m 必须在器件规定的刷新周期内至少发生一次刷新动作，以保存器件中的 数据。自动刷新的周期在d d rs d r a m 的厂商资料中会涉及到，程序中可根据 该周期来设置刷新计数器大小。该值的确定可根据公式计算：最小刷新周期+ 时 钟周期，例如：笔者用的d d rs d r a m 其3 2 m s 会有4 0 9 6 个刷新要求，所以最 小厢4 新周期为3 2 m s 4 0 9 6 = 7 8 1 2 5 u s ，因此在当d d rs d 弛蝴控制器工作在1 0 0 m 时钟时，刷薪计数器的最大值就该设为：7 8 1 2 5 u s 0 0 1 u s = 7 8 1 d 。因为在执行 a u t or e f r e s h 操作之前，所有的b a n k 都必须处于空闲状态。所以只有当所 有被激活的b a n k 执行p r e c 弛r g e 命令后等待t r p 时间后( 即使b a n k 处 于空闲状态) 才能执行a u t or e f r e s h 命令。 2 1 3d d r 翻睫 誓攥作 d d rs d r a m 的初始化 d d rs d r a m 在上电2 0 0 u s 后必须由一个初始化过程来配置d d rs d r a m 的模式寄存器，来确定d d rs d r a m 的工作模式，此后才能进行正常的读写操 作。初始化操作顺序如下： ( 1 ) 拉高c k e ，开启时钟使能： ( 2 ) 所有b a n k 预充一次； ( 3 ) 设置扩展模式寄存器( e m r s ) ，来开启d l l 使能； 9 武汉理工大学硕：七学位论文 ( 4 ) 设鼹模式寄存器( m r s ) 来复位d l l ，并使d d rs d r a m 进入空闲状态； ( 5 ) 对所有b a n k 进行预充操作； ( 6 ) 对d d rs d r a m 进行2 个或2 个以上周期的刷新操作； ( 7 ) 设簧m r s 来完成d d rs d r a m 的工作模式设置，并结束d l l 的复位； ( 8 ) 初始化过程结束。 d d rs d r a m 存储单元访问 为减少i o 引脚数量，d d rs d r a m 复用地址线，在读写d d rs d r a m 时， 先由a c t i v e 命令澈活要读写b a n k ，并锁存行地址，然后在读写指令有效时锁 存列地址。具体到本系统使用d d rs d r a m 器件来说，就是在b a n k 激活( 即行 锁定) 周期a 0 - a 1 1 对应d d r s d r a m 的行地址，在列锁定周期a 0 a 9 对应列地址。 d d rs d r a m 的刷新和预充 s d r a m 的存储单元可以理解为一个电容，总是倾向于放电，因此必须有 定时的刷新周期以避免数据丢失。d d rs d r a m 可以采用自动刷新或自刷新， 自动刷新实现较为简单而自刷新功耗更小。自动刷新是在d d rs d r a m 处于正 常工作状态时的刷新，而自刷新是d d rs d r a m 处于不工作状态时的刷新。例 如在d d rs d r a m 的c ：e = o ，c s = i 时，用户对d d rs d r a m 没有操作，只希 望d d rs d r a m 内的数据不丢失。此时就使用自刷新。本系统中，我们不使用 自刷新，只用自动刷新。预充，对b a n k 预觅电或者关闭已激活的b a n k 。预 充d d rs d r a m 时，既可分别预充特定b a n k 也可同时预充所有b a n k 。a 1 0 、 b a 0 和b a l 用于选择b a n k 1 那【1 6 1 1 7 1 。 2 2p c i 总线协诚研究 p c i ( p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti l l t e l o 衄e c t ) 总线是一种离性能局部总线，其用途 是在高度集成的外设控制器、扩展板和处理器系统之间提供一种内部连接机制。 随着c p u 的快速发展，基于图形的操作系统迅速普及，多媒体、视频处理和网 络传输得以大量应用，对系统数据传输要求也越来越高，p c t 总线可以很好地满 足上述需要。目前，p c i 总线己经成为工业标准，并广泛使用于个人计算机以及 小型服务器中。 p c i 总线是3 2 位或6 4 位地址数据复用的总线数据传输速率可高达 1 3 2 m b s 。在一个p c i 应用系统中，如果某设备取得了蕊线的控制权，就称其为 武汉理工大学硕士学位论文 主设备( m a s t e rd e v i c e ) ，而被主设备选中以进行通信的设备称为从设备或目标设 备( t a r g e td e v i c e ) 。 p c i 局部总线具有以下几个重要特点： 线性突发传输 p c i 支持线性突发的数据传输模式，可确保总线不断满载数据。线性突发 传输能够更有效地运用总线的带宽去传送数据，以减少无谓的地址操作。 自动配置 p c i 总线规范规定p c i 插卡可以自动配置。p c i 定义了三种地址空间：存储 器空间，i o 空