（机械电子工程专业论文）pci总线技术在数据传输及采集领域的研究与实现.pdf

中文摘要 本论文主要研究利用p c i 总线技术在数据传输及采集领域的实现与应用的问 题。 随着人类进入信息时代。信息技术( i t ) 特别是计算机技术得到了迅猛发展， 在工农业生产、医疗和科研等领域，人们对数据采集、传输与处理提出了更高的 要求，我们国家利用高速的p c i 总线技术在这一领域的应用却相对落后，本课题 就是出于这目的而提出来的。本课题包括硬件电路、印刷电路板( p c b ) 、驱动 程序和应用软件的设计，具体有a d 、d a 转换模块，串行接口、双口r a m 、c p l d ( 复杂可编程逻辑器件) 接口、即插即用模块、驱动放大模块、多路信号选择模 块、p c i 协议转换模块、控制逻辑、时钟电路和配置电路等模块。本课题着重点 是最新的p c i 总线规范2 2 在数据传输及采集领域的应用和w d m 模型驱动程序的 开发，以及p l x 公司最新研发并生产的p c i 协议芯片p c i 9 0 3 0 的应用研究。硬件 电路的绘制采用p r o t e l9 9 s e 电路软件，驱动程序采用m ic r o s o f td d k 开发工具， 应用软件则利用v i s u a lc + + 6 0 高级编程软件。 本论文主要阐述了总线数据传输及数据采集的意义和任务，对p c i 总线技术 运用于数据采集及总线数据传输系统的最新动态、数据采集的基本理论、p c i 规 范2 2 的重要内容以及p c i 数据采集及传输系统的硬件电路设计( 尽量做到硬件 的扩展性及复用性) 、驱动程序( 遵照w d m 模型) 的设计、应用软件的开发和整个 系统的应用等方面的内容作了较细致的论述。 给出的应用实例验证了应用研究的可行性。 关键字：p c i 总线，局部总线，p c i 9 0 3 0 ，w d m ，总线数据传输，数据采集， a d ，d a a b s t r a c t t h j sp a p e rm a i n l ys t u d i e dt h er e a l i z a t i o na n da p p l i c a t i o no fd a t aa c q u i s i t i o na n dd a t a e x c h a n g es y s t e mu s i n g t h ep c ib u s w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ( i t ) ，e s p e c i a lc o m p u t e rt e c h n o l o g y , i n d u s t r ya n da g r i c u l t u r em a n u f a c t u r e , m e d i c a l a n ds c i e n t i f i cr e s e a r c hb r i n gf o r w a r dh i g h e rr e q u e s t f o rd a t ag a t h e r i n ga n dp r o c e s s i n g c h i n ar e l a t i v e l y d r o p sb e h i n do t h e rd e v e l o p e dc o u n t r i e si n m a k i n ga s eo fh i g hs p e e dp c ib u st e c h n o l o g y t h et h e s i s i s p u tf o r w a r di no r d e rt os e n l et h e q u e s t i o n t h et h e s i si n c l u d e st h ed e s i g no fh a r dc i r c u i t ，p c b ( p t i n t e dc i r c u i tb o a r d ) ，d r i v e ra n d a p p l i c a t i o ns o f t t h ed e t a i l e df u n c t i o n a lm o d u l e sc o n s i s t o f s e r i a lm o d u l e 、d u a lp o r tr a m 、c p l d m o d u l e 、p l u ga n dp l a y ( p n p ) m o d u l e 、m u l t i p l e xs i g n a l s s e l e c tm o d u l e 、a n a l o g d i g i t a lc o n v e r s i o n m o d u l e 、d i g i t a la n a l o gc o n v e r s i o nm o d u l e 、p c ip r o t o c o l c o n v e r s i o nm o d u l e 、d r i v e ra n d m a g n i f y i n gm o d u l e 、c o n t r o ll o g i c 、c l o c kc i r c u i ta n dc o n f i g u r a t i o nc i r c u i t t h et h e s i se m p h a s i z e s t h ea p p l i c a t i o no f n e w l yp c ib u ss p e c i f i c a t i o n2 2i nd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ma n dd a t ae x c h a n g e s y s t e ma n dt h ed e v e l o p m e n to fw d m d r i v e ru s i n gt h ep c i 9 0 3 0c h i pw h i c hi sj u s ts t u d i e da n d p r o d u c e di np l xc o m p a n y t h eh a r dc i r c u i ti sd r a w ne m p l o y i n gc i r c u i ts o f tp r o t e l 9 9 t h ed r i v e r i s d e v e l o p e du s i n gd e v e l o p i n gt o o lm i c r o s o f td d ka n dt h ea p p l i c a t i o ns o f ti sp r o g r a m m e d m a k i n g u s eo f a d v a n c e d p r o g r a m m i n g s o f tv i s u a lc + + 6 0 t h i sp a p e rm a i n l ys l a t e st h em e a n i n ga n dr u s ko f d a t a e x c h a n g ea n da c q u i s i t i o n 、n e w l yt r e n d s o fd a t ae x c h a n g ea n d a c q u i s i t i o ns y s t e mu s i n gt o d a yp c i b u s t e c h n o l o g y 、f o u n d a t i o nt h e o r yo f d a t aa c q u i s i t i o n 、m o s tc o n t e n t so f p c i2 2s p e c i f i c a t i o n 、h a r dc i r c u i td e s i g no f p c id a t ae x c h a n g e a n da c q u i s i t i o ns y s t e m n n a k et h ee x t e n s i o na n dr e u s et ot h ef u l l ) 、d e s i g no fd r i v e r ( w d m ) 、 d e v e l o p m e n to f a p p l i c a t i o n s o f ta n d a p p l i c a t i o no f t h ew h o l es y s t e m t h e p a p e rp r o v i d e saa p p l i e a t i o nc a s ea n dv a l i d a t e st h ef e a s i b i l i t y k e y w o r d s ：p c ib u s ，l o c a lb u s ，p c i 9 0 3 0 ，w d m , b u sd a t ae x c h a n g e ，d a t aa c q u i s i t i o n 。a d ， d ，a i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，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 为获得电子科技大学或其它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 确的说明并表示谢意。 签名：些坶嗍叫年；月f 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，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，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 躲缎 一 皇三翌苎查兰堡主笙兰 一一 _ _ _ - _ - - _ _ - _ - _ - - - - _ _ - _ _ _ _ 一一一 第一章引言 随着计算机进入科研、生产、服务、娱乐等领域，数据的快速获取及传输显得 越来越重要，特别是现在这样的信息社会，多媒体、高速图像处理、网络服务等 领域要求高速的总线支持。本文就是运用现今最新的高速p c i 总线技术于数据传 输及采集( 数据获取) 领域的一个具体研究。 1 1 数据传输及采集的背景 1 ，1 。l 数据传输 在计算机与计算机之问、设备与设备之间通常要求进行快速的数据传输以实 现通讯，在这种情况下，要解决的是直接的两者间数字量快速交换。 本文要利用计算机p c i 总线技术来达到高速数据传输的要求 1 1 2 数据采集 在现实生活中，人们通常非常关心大量的模拟信号，而计算机只能识别和处理 二迸制代码，这样就必须把诸如压力、速度、加速度、温度、电压、电流、位移 等模拟量经过采集、量化为数字量后，再由计算机进行处理、显示及打印输出( 这 一过程称为a d 转换) 。当然，通常还会把数字量转化为模拟量( 即d a 转换) 在过程控制及各种智能仪器中，多由计算机进行实时控制及实对数据处理，这 就要求运用数据采集技术对生产现场的参数进行采集、监视和记录，为提高产品 的质量、降低成本提供信息和手段，从而实现对生产过程的实时控制。对于a i d 通道，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，根据不同的算法由计算机进行相应的计算和处理，得到所需要的数 据。当然，计算得到的数据可以进行显示和打印，以便实现对某些物理量的监视。 对于d a 通道，就是把经过计算机处理的一部分数据转化为模拟量进而控制某些 物理量。对一个数据采集系统性能的评价，主要看它的精度和速度。通常精度高 与速度快存在矛盾，只有在保证精度的前提下，应该尽可能的提高采样速度，以 满足实时处理和实时控制对速度的要求。本文利用了计算机p c i 总线技术来达到 工业控制在数据采集技术对速度方面的要求。 1 2 计算机系统总线运用在数据传输及采集领域的前沿动态 计算机总线是计算机各部件进行信息传输的公共通道，其主要职能是负责计 电子科技大学硕士论文 算机各模块间的信息传输。分为内部总线、系统总线、外部总线。 内部总线：包括片内总线、存储总线、片总线( 元件级总线) 。 系统总线( i ，o 通道总线) ：包括p c i ( p e r i p h e r a lc o m p o n e n t i n t e r c o n n e c tl o c a l b u s ) 总线、i s a ( i n d u s t r i a ls t a n d a r da r c h i t e c t u r e 、工业标准结构) 总线、a g p ( a c c e l e r a t e dg r a p h i c sp o r t ，加速图形端7 1 ) 总线、v m e 总线、m c a ( 微通道、 p s 2 ) 总线、m u l t ib u s 总线、s t e 总线、s t d 总线、e i s a ( 扩展工业标准结构) 总线、s c s i ( s m a l lc o m p u t e rs y s t e mi n t e r f a c e 、软盘和主机) 总线、i d e ( 硬盘和 主机) 总线、v e s a ( 提高系统视频性能) 总线、p c m c i a ( 个人计算机存储器卡 国际协会) 总线等，系统总线一般都以插槽的形式出现在主板上 外部总线( 通信总线) ：分为串行和并行两大类。串行：r s 2 3 2 c 、u s b 、i e e e l 3 9 4 、 a d b ( a p p l ed e s k t o pb u s ) 、a ，b ( 存取总线) 、c h i ( c o n c e n t r a t i o nh i g h w a yi n t e r f a c e ) 。 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。随着计 集成电路规模的不断升级，计算机总线的宽度和传输能力也在不断提高。总线宽 度由8 位的p c - x t 总线发展到了3 2 位的p c i 总线，最大传输速率也由p c x t 总 线的4 m b s 发展到了p c i ( 外围组件接口技术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 p c i ) 总线的1 3 2 m b s ，甚至更高。p c i 是种新型的高带宽、处理器无关的总 线系统。它既可以作为中间层的总线也可以作为周边总线系统使用。与其他普通 总线规范对照，p c i 总线为高速i o 设备提供了更好的支持( 比如图形适配器、 网络接口控制器、磁盘控制器，等等) 。现行的标准允许在3 3 m h z 下使用6 4 根数 据线，纯传输速率可达2 1 1 g b p s 。但是p c i 吸引人的地方不在于它的高速度，它 适应了现代i o 设备对系统的要求，并且只需要很少的芯片就可以实现并支持其他 总线系统。 p c i 被设计为支持各种处理器环境，所以它提供了很多通用的功能，这些功能 是构筑在同步时序和中央仲裁机制基础上的。p c i 局部总线是为了在高集成化外围 控制设备，系统，存储器等之间提供一种交互的机制。 现在国内工业生产中，数据采集与传输使用的计算机总线很多是i s a 总线o s a 总线的英文名称为i n d u s t r i a ls t a n d a r da r c h i t e c t u r e ，即工业标准结构) 。但是i s a 总线是低端总线，其1 6 位的总线宽度和1 6 m b s 的最大传输率显然很难满足工业 生产的需要，而且p e n f i u m 高速c p u 的出现，无论在容量上还是在图像处理等应 用上，均要求有极高的数据通量予以支持。然而，像i s a 、e i s a 这些标准总线已 经无能为力了，在解决这些问题方面，p c i 总线是当前最好的总线。 p c i 总线的特点； ( 1 ) 高性能 p c i 是一套整体的系统解决方案，较其它只为加速图像或者视频操作的局部总 电子科技大学硕士论文 线优越。p c i 总线能提高网络设配卡、硬盘的性能；可以出色的配合全活动影像、 图像及各种高速外围设备的要求。p c i 局部总线以3 3 m h z 的时钟频率操作，采用 3 2 位的数据线和地址线复用结构，可支持多组外围部件及附加卡。数据的最大传 输率可达1 3 2 m b s ，远远超过标准的i s a 总线的速率。即使在3 2 位的情况下，p c i 总线也能支持奔腾( p e n t i u m ) 及计算机的图形数据传送速率。 ( 2 ) 突发性传输 p c i 能支持一种称为线性突发的数据传输模式，可确保总线不断满载数据。外 围设备可以从内存的某个地址顺序的接收数据，可以减少无谓的地址操作，这样 能够更有效地利用总线的带宽去传输数据。也就是说外围设备可以由某个地址起 读写大量的数据，然后每次只需将地址自动加l ，便可以接收数据流内的下一个字 节的数据。另外，p c i 总线可以支持突发读取和突发写入，这对使用高性能图形加 速器尤为重要。 ( 3 ) 极小的存取延误 支持p c i 的设备，存取延误很小，能够大幅度减少外围设备取得总线控制权所需 要的时间。例如，支持p c i 的以太网卡可以及时将数据传至中央处理器，减少所 需要的额外内存，从而减少附加卡的成本。 ( 4 ) 采用总线控制和同步操作 p c i 的总线控制和同步操作功能有利于p c i 性能的改善。总线主控是大多数总 线都具有的功能，目的是让任何一个具有处理能力的外围设备暂时接管总线，以 加速执行高吞吐量、高优先级的任务。p c i 独特的同步操作功能可保证微处理器能 够与这些总线主控同时操作，不必等待后者的完成。 ( 5 ) 不受处理器限制 p c i 独立于处理器的结构，形成一种独特的中间缓冲器设计方式，将中央处理 器子系统与外围设备分开。因此用户可以随意增添外围设备，以扩展电脑系统而 不会因为在不同的时钟频率下导致c p u 性能的下降。而且，p c i 总线独立于微处 理器结构还可以保证不会因为处理器更新换代过快而使外围设备过时，从而保护 了消费者的利益。p c i 总线通过主桥路与处理器相连，因此通过改变主桥路可与不 同的处理器相连。 ( 6 ) 适合于各种机型 p c i 总线定义了两种信号环境：5 v 和3 3 v 。他们之间可以很容易地进行转换， 而且3 3 v 信号环境地定义为p c i 总线用于笔记本电脑开阔带来了方便。在服务器 环境下，p c i 支持分级式外围设备的特性，可使一个p c i 界面支持一组级联的p c i 局部总线；也可以使拥有多组p c i 总线的服务器增添额外的扩展插槽。 兼容性强 电子科技大学硕士论文 由于p c i 的设计是要辅助现有的扩展总线标准，因此它与i s a 、e i s a 及m c a 总 线完全兼容。p c i 局部总线可提供“共用插槽”，以便插p c i 、i s a 及m c a 插头。 ( 7 1 预留了发展空间 p c i 总线在开发时预留了充足的发展空间，例如，p c i 总线支持6 4 位地址、 数据多路复用，p c i 插槽能同时接插3 2 位和6 4 位插卡。允许p c i 局部总线扩展 卡和元件自动配置。在p c i 器件上包含有寄存器，上面有配置所需要的器件信息。 此外，p c i 总线还具有协议芯片成本低、高效益，而且p c i 规范也在不断完善等 优点。 总之，由于p c i 总线具有以上特点已使之成为i o 部件标准，是一种具有广泛 应用前景的总线。 随着多媒体应用和高速网络传输的需要，1 9 9 1 年下半年，i n t e l 公司首先提出 p c i 总线的概念，并联合i b m 、c o m p a q 、h p 、d e e 等多家公司成立了p c is i g 协 会，即p c is p e c i a li n t e r e s tg r o u p ，致力于促进p c i 局部总线工业标准的建立和完 善。1 9 9 2 年，p c is i g 发布了p c i 局部总线规范1 0 版，1 9 9 3 年发布了p c i 局部 总线2 0 版，1 9 9 5 年，p c is i g 又发布了修订版p c i 局部总线2 1 版，1 9 9 9 年推出 的版本是2 2 版。最近p c is i g 又推出了2 3 版本。 p c i 规范1 2 版只提供了部件级的内联机制，已为2 0 版替代。p c i 规范2 0 版 包括p c i 局部总线部件和扩展板的协议、电气、机械和配置规范。其中电气规范 适用与5 0 v 和3 3 v 信号环境。p c i 规范2 3 版基本与2 2 版兼容，但是其电气规 范适用于3 3 v 的信号环境。随着p c i 规范的不断完善，p c i 规范的芯片也在更新 换代，开发p c i 总线协议芯片的公司主要有p l x 、a m c c 、i n t e l 公司。p l x 公 司先后推出了p c i 9 0 8 0 、p c i 9 0 6 0 、p c i 9 0 5 6 、9 2 5 4 、9 0 5 2 、p c i 9 0 5 0 ，最近在2 0 0 0 年又推出了p c i 9 0 3 0 。a m c c 公司先后研发并生产了a m c c 5 9 2 0 ，a m c c 5 9 3 3 ， 最近推出了a m c c 5 9 3 5 芯片。i n t e l 公司的代表产品是i 9 6 0 r p ，它集成了p r i m a r y p c ii n t e r f a c e 、s e c o n d a r yp c ib u sc o n t r o l l e r ( 至少4 个p c i 设备) 、i 9 6 0 处理器核、 d r a m 控制器、l o c a lb u s ( 3 2b i t s ) 和其他外围。a m c c 5 9 3 3 和i 9 6 0 r p 在p c i 总线上既可以作为主设备，也可以作为从设备，而p c i 9 0 3 0 在p c i 总线上只能作 为从设备。本文使用的p c i 规范协议芯片是p l x 公司的p c i 9 0 3 0 。 电子科技大学硕士论文 第二章基本理论与设计基础 本文所涉及的p c i 板卡既是一块通讯卡，又是一块能进行数据采集与工业控制 的控制卡。若用于通讯可使用通讯模块，若用于现场采集与工业控制可用控制模 块。 通讯模块作为通讯卡时，它是一个输入输出设备。这主要解决两个设备之间 的握手交付问题。 控制模块在工业生产中，常需对现场的参数进行采集，再进行数据处理， 然后对现场实施控制。这可用控制模块，这时，它是一个采集、控制卡。 2 1 p c i 总线规范2 2 p c i 总线规范2 2 版规定了p c i 总线的电气规范、机械规范和配置规范等诸多 方面的内容。下面仅对p c i 总线规范内的p c i 总线结构、信号定义、总线操作和 总线配置等作简单介绍。 2 1 1p c i 总线结构 在一个p c i 系统中，高速的外部设备和低速的外部设备可以共存，p c i 与 i s 刖e i s a 总线并存。 图2 1 是一个典型的p c i 系统结构，可以看出，c p u 通过主设备p c i 桥，即北 桥可以直接访闯映射于存储器空间或者t o 空间的p c i 设备，此时c p u 只管与北 桥交付。北桥是一个低延迟的访问通道，能够提供数据缓冲功能，以便c p u 与p c i 总线上的设备并行工作而不必相互等待；该桥可以使c p u 与p c i 总线上的操作分 开，以免相互影响；北桥作为主设备并且提供了p c i 总线上的所有驱动机制。由 此可见北桥在p c i 系统中具有重要位置。 c p u 通过北桥访问主存和a g p 设备。p c i 总线上可以有p c i 显卡、p c i 网卡、 p c i 声卡、s c s i 的软盘适配器、p c i 扩张总线桥( 即南桥) 以及p c i 插槽。南桥 可以是p c i p c i 扩展总线桥、p c i s a 扩展总线桥、p c i 力s a 扩展总线桥。通过 北桥和南桥c p u 可以访问二级i s a 总线、e i s a 总线甚至次级p c i 总线上的设备。 南桥除了可以扩展总线外，还可以接i d e 接口和u s b 接口等。可见南桥是为了在 p c i 系统中挂接其它总线以兼容现有设备。 p c i 设备有主从之分，主从设备是相对于总线而言。主设备具有总线控制权， 能够驱动地址线、数据线和控制线，但是从设备不能驱动地址线。以图2 1 为例， 北桥和南桥的充当的角色是相对于哪一级总线而言，北桥对于c p u 总线而言是从 皇三型苎查兰堡圭堡苎 一 _ _ _ - _ _ _ _ - _ - _ _ - _ - _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ - _ 一。一 i 璐- ( t a r g e 0 ，对于p c i 总线而言是主设备( m 酬；同样在i s a 总线上南桥是主设 备，而在i s a 总线上的所有其它设备，如声卡适配器、超级i o 均为从设备。 图2 ，lp c i 总线系统结构 2 1 2p c i 总线信号定义 p c i 能够作为3 2 或6 4 位总线使用。它们可以按照功能不同化为以下几组： 系统引脚：包括时钟和重启引脚。 地址和数据引脚：包括3 2 条传输地址和数据的多路复用引线，其余的引线是 为了配合它而使用的。 接口控制引脚：用来保持m a s t e r 和t a r g e t 之间通信的一致性。诸如主设备准备 好( i r d y # ) 、从设备准备好( t r d y # ) 、停止传送( s t o p # ) 、设备选择( d e v s e l # ) 设各初始化( i d s e l ) 等信号 仲裁引脚：和其他的p c i 信号线不同，这些不是共享的数据线。每一个p c i m a s t e r 都有它自己的仲裁信号线“r e q # ”和“g n t # ”来直接和a r b i t o r 相连接。 仲裁机构在北桥中。 错误监测引脚：用于奇偶校验和其他错误的报告。含p e e 麟s e e r # 除此而外，p c i 还提供了另外5 0 条可选的信号线来支持中断、缓存、及6 4 位扩展 电子科技大学硕士论文 等功能。 p c i 插槽共有1 2 4 芯，对于只做从设备( t a r g e t ) 的p c i 设备而言，至少需要 4 7 个管脚；而对于用作主控( m a s t e r ) 的设备而言，至少需要4 9 个管脚( 含“r e q # ” 和“g n t # ”) 。下图是对t a r g e t m a s t e r 兼容设备管脚定义的说明。左边的管脚是必 需的，右边的是可选的。在信号末尾加上“# ”号的信号表示低电平有效，其它 表示高电平有效。p c i 总线信号的具体含义见p c i 系统结构。 僦5 5 三； ：a d ( s 。：蜘) 7 c b e 盯：4 ) 。par64、 r e a “、 f ：f ，r a m f i ； p c i 二a c k s d l j： i n t e r f a c e ! g t o i d n v h l c! o n t r o l c o m pl | a n t 71 毒滁! d e v i c e l 、 m m ； i n t d #( e r r o r ( p e r r # r e p o r t i n gz s e r r j 二s d o h ： l r b i f r a t i o n ：篇、 r i d i e 唰o ， 、tdo 、 ，tck 7 l s y s t e m _ i ： 二t m s 1 二t r s t 謇 2 1 3p c i 总线操作 图2 2p c i 信号定义 p c i 总线上的活动表现为m a s t e r 和t a r g e t 之间的信息传输和交互。总线传输采 用命令驱动的方式，总线命令的作用是用来规定主、从设备之间的传输类型。当 一个m a s t e r 得到总线的控制权后，由它来决定下一次传输的类型。在传输的地址 段，c b e 3 ：0 # 信号线用于给出传输的类型命令，被选中的从设备有效d e v s e l # 设备选择信号表明愿意进行数据的传输。若主设备采样到有效的d e v s e l # ，在地 址期结束后，进入数据期，从设备负责锁存起始地址并在后继数据传输中自动递 增( 假设从设备支持突发传输) 以指向下一个单元( 双字或四字) 。总线命令包括： 中断确认，特殊周期，i o 读，i o 写，读内存，写内存，读配置空间，写配置空 间，双地址周期等。下面1 9 对以上命令作一简单介绍。 1 中断确认。 中断确认用于对p c i 总线上的中断控制器进行读操作，地址 线没有作用，b e # 线用来决定中断类型的大小。 2 特殊周期。被m a s t e r 用于向一个或多个t a r g e t 广播消息。 电子科技大学硕士论文 3 i ，o 读与y o 写。 i o 读写用于在i ，o 控制器和m a s t e r 之间传输数据。每一个i ，o 设备都有它自 己的地址空间。地址线用来指示一个特定的设备以保证数据传输的正确。 4 读写内存。内存的读写用于确认一次内存和m a s t e r 之间的数据传输。具 体的数据格式取决于内存和缓存的具体形式。 5 读写配置空间。配置空间配置命令允许m a s t e r 读写和改变p c i 设备的配 置。每一个p c i 设备可以有最多2 5 6 个内置寄存器来初始化和配置。 6 双地址周期。用于6 4 位的操作。 p c i 总线操作比较多，这里只作简单介绍，详细内容请参阅 p c i 系统结构 一书。 2 1 4p c i 总线传输 3 2 位的数据的读写操作对各个主要信号线的时序提出了很高的配合要求。p c i 传输基本上由f r a m e # 、i r d y # 、t r d y # 三个信号线来控制。f r a m e # 信号 又称为帧周期信号，由主设备发出，表示一次访问的开始和持续时间。i r d y # ( 即 i n i t i a t o rr e a d y ) 信号，又称为由主设备准备好信号，i r d y # 有效表明发起本次传输 的设备能够完成一个数据期，它要与t r d y # 配合使用，二者同时有效，数据才可 以完整传输，否则要插入等待周期。在读周期，i r d y # 信号有效，表示主设备准 备接收来自从设备的第一个数据项；在写周期，i r d y # 有效，表示主设备正在通 过a d 总线驱动第一个数据到从设备上去。t r d y # ( i i t a r g e t r e a d y ) 信号，又称为 从设备准备好信号，t r d y # 有效，表示从设备已经做好了数据传输的准备工作， 与i r d 硎配合使用，二者同时有效，才能进行数据的完整传输。 实际上，p c i 总线的基本传输机制是突发分组传输。一个突发分组由一个地址 期和个或多个数据期组成。这种突发分组由p c i 主桥来完成，它可以把对多次 存储器访问在不产生副作用的情况下合并为一次访问，只要处理机发出的连续双 字读( 或写) 所隐含的地址是连续的，那么主桥路就可以把这些访问合并为突发 传输。 2 1 5p c i 总线的编址 p c i 总线定义了三个物理地址空间：内存地址空间、i o 地址空间和配置地址 空间。 配置地址空间。是为了便于提供一个适当的接口来满足系统配置的需要而引 人的独特地址空间，包括：对设备重新定位( 包括中断绑定) 的支持；不需要用 户干预的安装调试和测试：设备无关的系统地址映射表等。所有的p c i 设备必须 实现配置空间。多功能的设备必须为所实现的每一种功能提供配最空间。 电子科技大学硕士论文 p c i 总线的每个设备都有自己的地址译码，从而省去了中央译码逻辑。 在i o 空间中，a d 3 l ：0 的所有3 2 条信号线都参与地址编码，a d 1 ：0 】 是最低两位，必须和c b e d ：0 # 相配合来表明i o 传输的最低有效字节。0 0 表示 从字节0 开始；0 l 表示从字节1 开始；1 0 表示从字节2 开始；1 l 表示从字节3 开 始。所以i 0 空间地址可以精确到字节( 但是并不是所有p c i 设备都必须支持字节 级的寻址) 。 在内存空间中，a d 1 ：o 没有用于地址编码，也就是说a d 1 ；o 不是地 址译码的一部分，只由a d 3 1 ：2 译码得到一个双字地址的访问，所以内存空 间地址只能精确到双字，此时，a d 1 ：0 规定了对内存空间的访问方式，比如0 0 表示突发传输为线性增长方式，在这种方式下，地址是双字增长的：1 0 突发传输 为c a c h e 行切换方式，在这种方式下，c a c h e 行突发传送可以在c a c h e 行的内部 任意偏移地址处开始，而c a c h e 行的长度是通过c a c h e 行大小寄存器来定义的。 在配置地址空间中，通过a de 7 ：2 将访问落实一个双字地址，当一个设备 收到一个配置命令时，若i d s e l 信号( 初始化设备选择信号，作为“芯片选择”) 成立且a d i ：0 = 0 0 ，则该设备即被选为访问目标，否则就不参与当前的数据传送。 如果译码出的命令符合某桥路的编号，且a d 1 ：0 1 = o l ，则配置访问是对着该桥 后面的设备。这里i d s e l 引脚的布置由主桥或系统设计者决定。6 4 个双字配置寄 存器( 指p c i 的寄存器) 的寻址是由a d 7 ：2 】和c b e d ：0 】# 完成。 2 1 6p c i 配置周期与配置访问 lp c i 配置寄存器 任何p c i 设备必须具有一定数目的配置寄存器，以提供必要的配置信息，便于 系统为该设备进行配置，p c 规范采用这种配置措施的目的在于提供一套既满足于 现行系统又便于扩充的配置机构。所谓配置，不外乎就是为了便于对设备进行识 j j j ( 供应商标识、设备标识以及用来标识设备的总体功能和特定的寄存器级编程接 口等) 、控制( 通过命令寄存器可为发出和响应p c i 总线命令提供粗略的控制) 、 记录p c i 总线有关事件的状态信息( 通过状态寄存器) 、以及设备资源( 设备映射 的0 、内存、中断、d m a 等) 配置等。p c i 设备的这些配置寄存器映射到p c i 的配置地址空间中，通过a d 7 ：2 信号地址编码来访问。配置空间由预定义的 头部分和设备相关部分组成，共有2 5 6 个字节，头标区长度为6 4 字节，安排在配 置地址空间的最前面，每个p c i 设备都必须支持头标区的寄存器，而设备相关区 安排在配置地址空间的6 4 2 5 5 字节处，该区不是必需的，各个设备根据自己的 需要进行定义。 所有多字节的p c i 寄存器遵循低位在前、高位在后的原则。 表2 - - 1 为p c i 配置寄存器的分布情况，其中，设备i d 、供应商i d 、修改版 一9 电子科技大学硕士论文 本i d 、头标类型、分类码、子系统i d 与子系统供应商i d 寄存器可以唯一识别一 个p c i 设备。 字节3 字节2 ( 2 3 字节2字节0 ( 7偏移地址 e e p r o m 可写 p c i 可 ( 3 1 “2 4 )1 6 )( 1 5 “1 8 ) 0 ) 写 设备i d供应商i d 0 0 h是否 状态命令 0 4 h否是 分类码修改版本 0 8 h 是 3 1 ：8 否 1 1 ) 保留头标类型保留缓存大小 0 c h否是 7 ：0 p c i 基地址寄存器o 1 0 否是 p c i 基地址寄存器1 1 4 h否是 p c i 基地址寄存器2 1 8 h否是 p c i 基地址寄存器3 1 c h 否是 p c i 基地址寄存器4 2 0 h否是 p c i 基地址寄存器5 2 4 h否 是 保留 2 8 h否 是 子系统i d子系统供应商i d 2 c h 是 否 局部扩展r o mp c i 基地址 3 0 h否 是 保留 3 4 h否否 保留 3 8 h否否 m a x - i 。a tm i n _ g n t中断线中断线3 c h 是 1 5 ：8 是 7 ：0 基地址寄存器用来规定p c i 设备需求的内存空间或i 0 空间大小f 但不能规定 所需空间的地址) 。r o mb i o s 在弓f 导操作系统之前必须建立一个统一的地址映射， b i o s 通过基址寄存器来获得p c i 设备的内存或f o 需求；从而在系统资源中为其 分配合理的地址空间，所以p c i 设备可以在系统地址空间中浮动。驱动程序可以 从寄存器中读取系统为该设备分配的物理地址。这里说明一下，在w i n 3 2 应用程 _ 1 0 电子科技大学硕士论文 序中，必须把映射的物理地址( 内存) 转换为线性地址后才能使用，i 0 地址不作 转换。基地址寄存器实际上是一个地址译码器。 p c i 基地址寄存器p c i 基地址寄存器o 是用来映射系统存储器地址到配置 寄存器基地址的一个基地址寄存器，简写为p c i b a r 0 ：p c i 基地址寄存器1 是用 来映射系统i o 端e 1 地址到配置寄存器基地址的一个基地址寄存器，简写为 p c i b a r i ：p c i 基地址寄存器2 5 是用来映射系统存储器地址到局部总线存储器 基地址的一个基地址寄存器，简写为p c i b a r 2 5 ，也就是说，系统内存地址 p c i b a r 2 5 对应局部总线基地址寄存器l a s 0 3 ( 1 0 c a l a d d r e s ss p a c e ) ；局部总线 e e p r o mp c i 基地址寄存器是系统内存地址映射到局部总线e e p r o m 的基地址。 中断线寄存器用来报告系统中断线的连接情况，对于x 8 6 微机，该寄存器 的值与8 2 5 9 中断控制器的i r q 号相对应，取值范围为o 1 5 ，也可以取2 5 5 表 示没有连接到中断控制器。8 2 5 9 的i r q 是从0 到7 。设备驱动程序与操作系统可 以用该寄存器的值确定中断的优先级和向量。 中断引脚寄存器p c i 总线提供四个中断引脚，即i n l a # i n t d # ，中断 引脚寄存器的值表示该设备使用了p c i 总线的哪个中断引脚，值1 4 分别表示 i n t a # i n t d # 。对于单功能设备，只能使用i n t a # ，或将该寄存器设为0 ， 表示不使用中断。该寄存器是一个只读寄存器。 扩展r o m 基址寄存器有些p c i 设备需要自己的扩展r o m 来对设备进行 初始化等操作，该寄存器即用来规定扩展r o m 的基址与大小。其使用方法与基址 寄存器类似。 2 配置访问 以上寄存器除了在系统上电时可由b i o s 访问以外，还可以由主机上的应用软 件访问。微机虽然没有这样的p c i 配置空间，但这些寄存器映射到p c i 总线的配 置空间，是可以通过a d 7 ：2 来对寄存器进行寻址的。对于x 8 6 微机，有两 种对p c i 寄存器进行访问的机制，一种是通过1 a h 号b i o s 调用的b 1 h 号子功能 来完成；另外一种配置机制很常用，在这种机制中，在系统的i o 空间中分配了两 个双字寄存器单元，第一个单元地址为c f 8 h ，称为配置地址寄存器，第二个单元 地址为c f c h ，称为配置数据寄存器。通过对这两个单元的读写实现配置访问。 配置周期的产生具体实现是：先往配置地址寄存器( c f s h ) 中写一个值，用 来指定总线编号、设备编号、配置寄存器号，然后对配置数据寄存器( c f c h ) 进行 读写，这些读写操作都会转换为p c i 总线上的配置访问周期。对这两个寄存器的 读写只能是3 2 位同时进行而不能分成两个1 6 位或4 个8 位寄存器分别进行。位1 和0 是只读位，必须为0 0 ，位3 l 为l 时表示允许将对配置数据寄存器( c f c h ) 的 访问转变成p c i 总线上的配置周期。 电子科技大学硕士论文 表2 - 2 配置地址寄存器( c f 8 h ) 格式 3 13 0 2 4 2 3 “1 61 5 1 11 0 87 21o 保留保留总线号设备号功能号 寄存器 o0 号 2 1 7p c i 多级总线结构 p c i 总线规范规定，允许多个p c i 总线与其它总线并存。多级p c i 总线必须通 过p c i p c i 桥来扩展；其它类型的总线必须通过p c i 扩展桥，例如p c i i s a 扩展 桥，可以扩展i s a 总线。p c i 总线规范对多级总线机制进行编号，但是必须是p c i 总线。多级p c i 总线结构如图2 3 所示。p c t 规范对p c i 总线进行编号，由第一总 线( p r i