（控制理论与控制工程专业论文）基于pci总线的自适应温度控制系统设计与实现.pdf

江苏大学倾士研究生毕业论义 摘要 温度控制系统在工业控制中得到广泛应用，适用于机械、冶金、电力、化 工、纺织、食品、陶瓷等行业。而基于p c i 总线的自适应温度控制系统由于其 接口设计复杂，采集传输速率高而成为当前工业控制领域具有重要意义的研究 方向。 本系统基于计算机p c i 总线结构，通过采集来自温度控制现场工作温度模 拟量，经过a d 转换，传至工控计算机上的自适应温度控制软件系统，运用基 于p o p o v 超稳定性理论推导出的m r a c 算法计算出控制量，主回路采用p w m 控制方案。 本文主要内容分两大块，一块是基于可编程器件c p l d 的p c i 总线接口以 及断偶检测、冷端补偿、采样放大电路设计、a d 转换，一块是针对p c i 接口 的驱动软件和基于m r a c 控制算法的温度控制系统软件的设计。文中首先对 p c i 规范作了一个简要说明，分析了p c i 目标模块和后台控制模块的结构、工 作原理和设计要点，并阐述了x c 9 5 2 8 8 系列c p l d 的性能、特性、使用方法， 提出了采用x i l i n x 公司生产的6 4 0 0 门的c p l d ，x c 9 5 2 8 8 x l 一7 t q l 4 4 c 器件， 用目前流行的硬件描述语言v e r i l o gh d l 作为开发手段，设计出p c i 总线目标 模块和后台控制模块，并将c p l d 芯片运用到1 2 路温度控制系统的p c i 接口部 分，同时设计了断偶检测、冷端补偿、a d 转换、采样放大电路。开发了基于 p c i 接口的驱动软件，实现了i o 读写功能。开发了工控计算机上的温度控制 系统软件，使用了m r a c 控制律作为核心控制算法。最后整个系统通过了实际 工作状态的验证。为今后在p c i 总线上开发大规模数据采集系统的研究工作奠 定了基础。 【关键词】：p c i 总线、可编程器件、v e r i l o gh d l 、w d m 、m r a c 算法， 江苏大学硕 ：研究生毕业论义 a b s t r a c t t e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mu s e dw i d e l i l yi ns u c ht r a d e sa sb u i l d i n g p e t r o c h e m i c a li n d u s t r y ，m e t a l l u r g y ，m a c h i n e - b u i l d i n g ，l i g h tt e x t i l e ，f o o d p r o c e s s i n go tp o w e rp l a n t ，e t c ，s oh a v ew i d ep r o s p e e t s t h i s s y s t e mc o m e sf r o mt h et e m p e r a t u r e v a l u e o fw o r ko nt h e s p o to f t e m p e r a t u r ec o n t r o lt h r o u g hg a t h e r i n gb e c a u s eo ft h ec o m p u t e rp c ib u ss t r u c t u r e ， c h a n g et h r o u g ha d ，r e a c hw o r k e r sa n da c c u s eo ft h ea d a p t i v et e m p e r a t u r ec o n t r o l s o f t w a r es y s t e mo nt h ec o m p u t e r , u s em r a c a l g o r i t h md e r i v e do u to nt h eb a s i so f p o p o vs u p e rs t a b i l i t yt h e o r yt oc a l c u l a t eo u tt h ec o n t r o l l i n ga m o u n t ，t h em a i nr e t u r n c i r c u i ta d o p t sp w mt oc o n t r o lt h es c h e m e t h em a i nc o n t e n to f t h i st e x td i v i d e si n t ot w og r e a to n e o n eb a s e do nd e s i g na n d i m p l e m e n t o fc p l d b a s e dp c i i n t e r f a e e 、t h e r m o c o u p l er a p t u r e d 、c o l d e n d c o m p e n s a t e d 、a dt r a n s f o h n 、s a m p l i n ga m p l i f i e dc i r c u i t o n ei sd e s i g no fw d m d r i v e rs o f t w a r eo f p c ii n t e r f a c ea n da d a p t i v et e m p e r a t u r ec o n t r o ls o f t w a r es y s t e r no n t h ec o m p u t e r h a v i n gd o n eab r i e fi l l u s t r a t i o nt op c in o r l t la tf i r s ti nt h ea r t i c l e i ti s a n a l y s e dt h a tt h eg o a lm o d u l eo f p c im a db a c k s t a g es u p p o r t e rc o n t r 0 1s t r u c t u r eo f t h e m o d u l e ，o p e r a t i o np r i n c i r i l e a n dd e s i g nt h em a i np o i n t ，h a v ee x p l a i nt h e p e r f o m a a n c e ，c h a r a c t e r i s t i c ，o p e r a t i o nm e t h o do fx c 9 5 2 8 8s e r i e sc p l d ，h a s p r o p o s e da d o p t i n g 6 4 0 0d o o r s o fc p l d st h a tx i l i n x c o m p a n yp r o d u c e d ， x c 9 5 2 8 8 x l 一7 t q l 4 4 cd e v i c e ，d e s c r i b ew i t hp r e s e n tp o p u l a rh a r d w a r el a n g u a g e v e r i l o gh d l a sm e a n so fd e v e l o p i n g d e s i g np c ib u sg o a lm o d u l ea n db a c k s t a g e s u p p o r t e rc o n t r 0 1t h em o d u l e ，a n da p p l y1 2n o p c ii n t e r f a c ep a r t t e m p e r a t u r eo f c o n t r o l s y s t e m t o b yc h i pc p l d ，d e s i g na n db r e a km e a s u r i n go c c a s i o n a l l y m e a n w h i l e ，t h ec o l de n di sc o m p e n s a t e d a dt r a n s f o i t n ，s a m p l e st oe n l a r g et h e c i r c u i t h a v ed e v e l o p e dt h es o f t w a r eo fd r i v eb a s e do np c ii n t e r f a c e r e a da n d w r i r e nt h ef u n c t i o na f t e rr e a l i z i n gi ，o a c c u s eo ft h et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m s s o rw a r eo nt h ec o m p u t e ra f t e rd e v e l o p i n gw o r k e r s h a su s e dm r a ct oc o n t r o ll a w a n dc o n t r 0 1a l g o r i t h m sa st l l ec o r e t h ew h o l es y s t e mp a s s e dt h ev e r i f i c a t i o no ft h e r e a lw o r k i n gs t a t ef i n a l l y h a v ee s t a b l i s h e dt h ef o u n d a t i o nf o rt h er e s e a r c hw o r kt h a t w i l ld e v e l o pt h ee x t e n s i v ed a t ac o l l e c t i n gs y s t e mo np c ib u si nt h ef u t u r e 【k e y w o r d s ：p c ib u s 、c p l d 、v e r i l o gh d l 、w d m 、m r a c i i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容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 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密u 。 学位论文作者签名 锋文轫导师虢苍移归 1 签字f 1 期多刃亏年6 月乙日 签字日期：泐r 年占月日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：徐c i c 确 日期：妒 年 7 月口日 江苏火学颂一j 研究生毕业论文 第一章绪论 1 1 本课题研究现状及意义 温度控制系统在电厂建设、石油化工、冶金、机械制造、轻纺、食品3 w q - 等行业中得到广泛应用。主要通过将工业控制现场的温度模拟量通过传感器采 集，再经a d 转换成数字量输入计算机，由温度控制系统软件实现存储、处理、 显示或打印的过程。相应的系统称为温度控制系统。 温度控制系统的控制对象很多，且不尽相同，控制对象的参数会大幅度发 生变化，且多种干扰存在，如果用常规的p i d 控制规律，需根据不同的控温对 象、不同的使用场合调节控制参数，如参数调节不恰当，将会产生很大的超调， 很难满足控温精度的要求。而基于p o p o v 超稳定性理论设计的模型参考自适应 温度控制( m r a c ) 系统，在控温对象参数大幅度变动情况下，能取得极好的 动、静态特性，同时也可减少对供电电网的谐波污染，对于大功率( 1 0 0 k w 以 上) 的加热装置尤其重要。 白适应温度控制系统所做的工作就是将温度传感器采集到的温度模拟信号 转换成计算机能识别的数字信号，然后送入计算机，根据自适应算法计算出相 应的需要的控制量，然后再由驱动电路输出，控制现场温度变化的系统。 随着计算机技术的飞速发展和普及，基于各种总线的温度控制系统也迅速 得到应用。在生产过程中，应用这一系统可对生产现场的温度参数进行实时地 采集和控制。这种基于数据采集技术的温度控制系统在生产过程中的应用，使 得生产效率得到巨大提高，本来需要通过人为检测的工作方式，变成了由计算 机的全自动控制，所以本系统得到的应用越及时，工作效率就越高，取得的经 济效益就越大。温度控制系统性能的好坏，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。 计算机技术的高速发展为人们利用现代数字信号处理技术高速大量地处理 信息体统了有效的手段。目前新一代的主板上面已经几乎不提供i s a 插槽。主 流总线已经为p c i 总线所取代，而与常用的i s a 、e i s a 和m c a 等扩展总线相 比，p c i 总线具有负载能力强、支持3 2 6 4 位数据传输、采用多总线和线性突发 江苏大学硕十研究生毕业论文 传输模式、独立于c p u 、自动配置、支持即插即用等众多优点。基于p c i 总线 的温度控制系统是未来工业温控领域的发展方向，在要求大容量，实时性的高 速控制系统中，采用p c i 总线作为数据传输是值得研究的。与传统的基于i s a 总线的温度控制系统相比，基于p c i 总线的自适应温度控制系统无论在速度还 是在综合性能方面都要强得多。 可编程器件技术迅速发展，使其在通信、电子、计算机等领域应用日益广泛， 典型代表是f p g a 和c p l d 。用可编程芯片器件来设计p c i 总线接口，并包容用户 逻辑于一片可编程芯片之内，既可以减少电路面积，电路板布线面积，比如原来 要用一块3 8 译码器解决的问题，而在f p g a c p l d 内实现也就是几句语句就可完 成。同样可以在设计中可以有选择地开发p c i 接口功能，而不造成逻辑资源浪费， 给用户逻辑设计以更大的空间，更可以在经过精确的时序验证后将包含p c i 接口 和用户逻辑的可编程芯片定制为a s i c ，可使大批量生产的p c i 总线产品成本显著 降低。正是出于这样的市场应用前景，f p g a 生产厂商女n x i l i n x ，a l t e r a 等都推出 了各自的p c i 设计模块。用户可以把它们生产的标准的p c i 核和用户逻辑做在一片 f p g a 上，但是，这种已经针对用户零售的p c ic o r e ，你无法对其进行修改，有 可能有非常大的一部分功能你无须用到，这样你也无法留出更多的逻辑资源，无 法降低成本。 由于p c i 总线接口逻辑复杂，这些因素造成p c i 总线接口丌发困难，对于 广大p c i 总线产品开发的用户而言，p c i 总线接口设计已经是一项过重的任务。 目前关于p c i 总线接口芯片开发的芯片分为两类：一类是符合p c i 总线规范的 可编程逻辑器件( p l d ) 芯片，如a l t e r a 、x i l i n x 公司生产的一系列芯片，以及 众多厂家生产的众多v t t d l 、v e r i l o g 、a h d l 编制的p c i 核心设计模块结合相 应器件出售；另一类是p c i 总线专用控制芯片，如a m c c 开发的主，从控制接 口芯片，p l x 开发的p l x 系列芯片。然而通常用户可能只用到了专用芯片中 部分p c i 接口功能，造成一定的逻辑资源浪费，对于大批量生产的产品会造成 极高的成本浪费，如采用p c i 9 0 x x 芯片( 一般至少在1 5 0 元片以上) ，或者 a m c c 公司的s 5 9 x x 系列芯片( 常用的$ 5 9 3 3 曾经要5 0 0 多元片) 。 本课题选用一块x i l i n xc p l d 完成p c it a r g e t 工作方式、基本i o 功能以及 译码电路三大功能。原来需要通过购买昂贵的p c ic o r e 软件包( 如果买一个全 江苏人学硕士研究生毕业论文 功能的p c ic o r e 需要几万人民币) 实现p c i 接口功能，而现在通过编制简单的 p c i 接口芯片的v e r i l o gh d l 软件代码，这样既降低了成本，又同样让系统正常 工作在p c i 总线上，而将基本i o 功能和译码电路，原来需要独立专用j 卷片完 成的功能，同样也做在一块c p l d 芯片上更加节省了成本。 1 2 本课题方案及任务 本课题分为软件和硬件两大部分。硬件主要分采集、a d 转换、断偶检测、 冷端补偿、采样放大电路，基于c p l d 的p c i 接口，其中基于c p l d 的p c i 接 口部分的设计是难点，因为p c i 接i z i 逻辑复杂。所以这部分需要巨大的工作量 才能完成。软件部分主要由驱动软件和温度控制系统软件组成，其中由于温度 控制系统需要运行在w i n d o w s9 8 以后的操作系统上，所以需要编制基于w d m 模 型的驱动程序，这个也是一个难点，因为在w i n d o w s2 0 0 0 后系统对底层硬件的 访问进行了屏蔽，所以对底层硬件的操作必须通过w i n d o w sd r i v e rd e v e l o p m e n t k i t 完成。温度控制系统核心控制算法基于m r a c 自适应控制算法，主要控制 界面由v i s u a lb a s i c 完成。 本设计在x i l i n x 公司的i s ef o u n d a t i o n6 1 i 软件平台上，以v e r i l o gh d l 语 言作为c p l d 设计输入手段，考虑到x i l i n x 提供的开发工具x i l i n x 对v e r i l o g h d l 逻辑综合能力不强，所以运用第三方优秀的综合工具s y n p l i c i f yp r o7 5 进 行综合过程，逻辑综合后生成e d f e d a 工业标准文件，并且运用m o d u l e s i m5 8 进行功能仿真，布线后仿真，运用p r o t e ld x p 绘制了1 2 路温度控制卡原理图和 p c b 图。 微机上的温度控制系统软件需要尽最大的可能性实现兼容需要，满足可以 运行在w i n d o w s9 8 、w i n d o w s2 0 0 0 以及w i n d o w sx p 上运行的需要，所以需要 编写基于w d m 模式的驱动。因此整合运用了v i s u a lc + + 6 0 & w i n d o w sd r i v e r d e v e l o p m e m k i t & d r i v e r s t u d i o3 1 完成了w d m 模式驱动程序的编写，采用的 方案是先用d r i v e r s t u d i o 完成驱动程序，做出安装文件，做出一个基于m f c 的d l l 动态链接库文件，使其和驱动进行通讯，完成i o 口读写，将其读写 出口函数导出，这样就可以在上位机的v i s u a lb a s i c6 0 编写的控制系统软件调 用此d l l ，进行f o 读写。温度控制系统软件控制算法采用了m r a c 校正自适 应控制算法。 2 1p c i 总线 2 1 1 总线的基本概念 江苏大学硕上研究生毕业论文 第二章p c i 总线概述 计算基总线是计算机各部件之间进行信息传输的公共通道。微型计算机系 统广泛采用总线结构，其优点是系统成本低、组态灵活、维修方便。采用总线 标准设计、生产的硬件模块兼容性强，并通过系统总线可以方便地组合在一起， 以构成满足不同需要的微机总线。 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。 任何系统的研制和外围模块的开发，都必须服从一定的总线规范。总线的结构 不同，性能差别很大。计算机总线的主要职能是负责计算机各模块间的信息估 输，因此，对总线性能的衡量，也是围绕着这一职能而定义、测试和比较的。 总线的传输率是其性能的主要技术指标。另外，总线的可操作性、兼容性、性 能价格比，也是很重要的技术特征。 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 l 】运行速度的提高，多处理结构的出现，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，从晡出现了多总线结构。多总线结构是指c p u 与存储器、i o 等设备之问有两条以上的总线，这样可以将慢速的设备和快速的 设备挂接在不同的总线上，减少总线竞争现象，使系统的效率大大的提高。 张多总线结构中局部总线( l o c a lb u s ) 的发展最令人瞩目。局部总线是 指来自处理器的延伸线路，与处理器同步操作，外部设备如果直接挂在局部总 线上，就能以c p u 的速度运行。出于局部总线具有极高的数据传输率，因此在 c p u 与告诉缓冲存储器( c a c h e ) 、c p u 与高速图形 等需要告诉传输信息的场 合得到了广泛的应用。 2 1 2p c i 总线的特点 p c i 总线属于外部总线，也称l o 总线，属局部总线范畴。计算机总线从性 p c 总线属于外部总线。也称l o 总线，属局部总线范畴。计算机总线从性 4 江苏大学硕士研究生毕业论文 2 1p c i 总线 2 1 1 总线的基本概念 第二章p c i 总线概述 计算基总线是计算机各部件之间进行信息传输的公共通道。微型计算机系 统广泛采用总线结构，其优点是系统成本低、组态灵活、维修方便。采用总线 标准设计、生产的硬件模块兼容性强，并通过系统总线可以方便地组合在一起， 以构成满足不同需要的微机总线。 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。 任何系统的研制和外围模块的开发，都必须服从一定的总线规范。总线的结构 不同，性能差别很大。计算机总线的主要职能是负责计算机各模块间的信息传 输，因此，对总线性能的衡量，也是围绕着这一职能而定义、测试和比较的。 总线的传输率是其性能的主要技术指标。另外，总线的可操作性、兼容性、性 能价格比，也是很重要的技术特征。 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，从而出现了多总线结构。多总线结构是指c p u 与存储器、i o 等设备之间有两条以上的总线，这样可以将慢速的设备和快速的 设备挂接在不同的总线上，减少总线竞争现象，使系统的效率大大的提高。 在多总线结构中，局部总线( l o c a lb u s ) 的发展最令人瞩目。局部总线是 指来自处理器的延伸线路，与处理器同步操作。外部设备如果直接挂在局部总 线上，就能以c p u 的速度运行。由于局部总线具有极高的数据传输率，因此在 c p u 与告诉缓冲存储器( c a c h e ) 、c p u 与高速图形卡等需要告诉传输信息的场 合得到了广泛的应用。 2 1 2p c i 总线的特点 p c i 总线属于外部总线，也称v o 总线，属局部总线范畴。计算枫总线从性 4 江棼大学硕上研究生毕业论文 能上区分可分为高端总线( h i g hp e r f o r m a n c el o c a lb u s ) 和低端总线( l o w p e r f o r m a n c el o c a lb u s ) 。高端总线是指支持3 2 位、6 4 位处理器总线，侧重于 提高处理能力。低端总线一般支持8 位、1 6 位处理器，其重点是i o 处理，组 合灵活。在总线技术方面，可分为传统总线和现代总线。传统总线依赖c p u 处 理芯片，有的实际上就是c p u 引脚的延伸。而现代总线对c p u 的依赖在减弱。 p c i 总线可以不依赖任何c p u ，而且有很好的兼容性。现代总线的高级特性还 体现在支持高速缓存c a c h e 、支持多处理机、可以自动配置等方面。低端传统 总线有：i b m p c x t 、i s a 、s t d 等。高端现代总线有：p c i 总线、m c a 总线、 v l b u s 、e i s a 等。其优化的设计可充分利用今日最先经的微处理器及个人电 脑科技。它可确保电脑部件、附加卡及系统之间的运作可靠，并能完全兼容现 有的i s a e i s a m i c r oc h a n n e l 扩充总线。具体而言，p c i 局部总线有如下特点： 1 高性能 p c i 局部总线以3 3 m h z 的时钟频率操作、采用3 2 位数据总线，可支持 多组外围部件及附加卡。数据传输率可高达1 3 2 m b s ，远远超过标准i s a 总线 5 m b s 的速率 2 线性突发传输 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。外围设备一般会由某个地址顺序接受数据，这种线性或顺序的寻址方式， 意味着可以由某一个地址起读写大量数据，然后每次只需将地址自动加l 。 3 极小的存取延误 支持p c i 的设备，存取延误小，能够大幅度减少外围设备取得总线控制权 所需的时间。 4 采用总线主控和同步操作 p c i 的总线主控和同步操作能有利于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 独立于处理器结构，形成一种独特的中间缓冲器设计方式，将中央处 江苏大学硕上研究生毕业论文 理器子系统与外围设备分丌。有了缓冲器的设计方式，用户可随意增添外围设 备，以扩展电脑系统而不必担心在不同时钟频率下会导致心能的下降。 6 适合于各种机型 p c i 局部总线不只是为标准的桌面( 台式) 提供合理的局部总线设计，同 时也适用于便携式电脑和服务器。 7 兼容性强 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。这种兼容能力保障了用户的投资，让用户在继续使用沿用 的附加卡之余，又能提供额外的插槽，方便用户选用心的外围设备。 8 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，它支持6 4 位地址数据多路复 用，可将系统的数据传输率提高到2 6 4 m b s 。同时，p c i 插槽能同时接插3 2 位 和6 4 位插卡。p c i 还提供了自动配置功能，从而保证了用户在安装外围卡时， 不需要手工调整跨接线。 9 低成本、高效益 p c i 的芯片将大量系统功能高度集成，节省了逻辑电路，耗用较小的线路 板空间，成本降低。p c i 部件采用地址数据线复用，从而使p c i 部件用以连接 其它部件的引脚数减至5 0 以下。 lo 是立足现在放眼未来的标准 p c i 局部总线既迎合了当今的技术要求，又能满足未来的需要，是公认的 最具有高瞻远瞩的局部总线标准。p c i 的高性能、高效率及与现有标准的兼容 性和充裕的发展潜力，是其它总线不可及的。 2 2p c i 总线信号定义 p c i 总线2 ，1 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。其中电气规范适用于5 0 v 和3 3 v 信号环境。p c i 总线的组件、扩展板 接口与处理器无关，在多处理器系统结构中，数据能够高效的在多个处理器之 间传输。与处理器无关这一特性，使p c i 总线具有最好的i o 功能，最大限度 的使用各类c p u r a m 的局部总线操作系统，使用各类高档图形设备，各类高 速外部设备，如s c s i 、f d d i 、h d t v 、3 d 等。 6 江苏大学钡一i ：研究生毕业论文 p c i 总线特有的配置寄存器，为用户提供了方便。系统嵌入自动配置软件， 在加电时自动配置p c i 扩展卡，为用户提供了简单的使用方法。 为了管理数据和寻址、接口以及系统运行，p c i 接口对单个目标设备需要至 少4 7 个引脚，对主控设备至少需要4 9 个引脚。下面是信号类型定义。 在p c i 协议中，中央资源用来表示由主系统所支持的总线支持功能，特别 是p c i 所用的桥路和标准芯片集，这些功能包括中央仲裁；在复位期间驱动 r e q 6 4 # ；在系统配置操作时产生有效的i d s e l 信号给每个设备( 也就是在配 置周期的时候) ；反向解码；上拉电阻或称保持器。p c i 控制信号常常要求提拉 电阻以保证在无单位有效地驱动总线时他们保持稳定值。这些信号包 括：f r a m e # ，t r d y # ，i r d y # ，d e v s e l # ，s t o p # ，p e r r # ，s e r r # ，在用到的时候 也包括l o c k # ，r e q 6 4 # ，a c k 6 4 # 。点到点及共享的3 2 位信号不要求上拉电 阻，总线放置保证他们稳定。 r ，_ 卜i 五i 弋 i a d 3 1 ：0 0 f 、，。一 a d d r e s s 、 d a t a7 玉匦e 塑韭：坐j l “_ e b l r _ e 聃雌l = 避 i j 口l _ p c i i n t e r f a c et 富 c o m p l l a n t _ l 口l _ d v 1 c e * d 女l ， 二二j i n 葡 r a j j3 l _ j e l _ 二二 i h i t c 4 ；c 揣茫蛊 = 豇 。i r b i t g a m t j o n ) = g n t # ( ! t e d i i w m m ) 卜 卜 s y s t e m 二j 釜：_ 1 雨西一 图2 1 p c i 引脚列表 在图2 1 中，p c i 引脚定义按功能组组织，可以清晰看到各个引脚名称以 及属于的功能组。 2 3p c i 的配置空间 任何p c i 设备必须实现一个或多个2 5 6 字节大小的配置空间，一个p c i 设 备的地址空间是可以动态设定的，总线控制器识别不同的p c i 设备、动态设定 地址空间都是通过配置空间来实现的。配置空间预定义的头域有6 4 个字节，每 江苏人学硕【研究生毕业论文 个设备必须支持这个区域的寄存器，这个域包括对设备进行识别的唯一的标识 码，和允许对设备进行一般控制的若干域 如下图2 2 即为p c i 配置空问头域布局： 3 l1 61 5 剩下的1 9 2 个字节是设备相关的。 0地址 设备i d供应商i do o h 状态命令0 4 h 类别码版本i d0 8 h b i s t头域类型延迟计时器c a c h e 行大小o c h 1 0 h 基地址寄存器 2 4 h c a r d b u sc i s 指针2 8 h 子系统i d子系统制造商i d2 c h 扩展r o m 基地址寄存器3 0 h 保留3 4 h 保留3 8 h m a x l a tm i g n t中断引脚中断线3 c h 图2 2 配置空间布局图 注意：会直接影响p c i 设备特性的配置寄存器集中在p c i 配置空间的前1 6 个 双字里。该区域成为p c i 配置头。目前p c i 2 2 规范定义了三种配置头的格式， 分别是类型0 ，1 ，2 。( 这里只对类型0 的配置头进行介绍) 类型0 ：除类型1 和类型2 以外所有的p c i 设备； 类型1 ：p c i p c i 桥设备，用于将两条p c i 总线进行连接； 类型2 ：p c i c a r d b u s ( 主要用于笔记本的插卡式总线) 桥，在p cc a r d 规范中 进行定义。 设备标识： 在预定义的设备标识中有五个域，所有p c i 设备需要处理这些域。一般配 江茄、大学碗l 研究生毕业论文 置软件需要访问它们以确定在系统总线上哪些设备可以用。所有这几个寄存器 是只读的。 必须实现的配置寄存器： 以下描述的配置寄存器在所有的p c i 设备中都应当实现，包括桥设备。 一般情况下，操作系统使用以下配置寄存器的内容来决定为该p c i 设备加 载何种驱动程序。 设备i d 配置寄存器：t 6 位值，由设备制造商自行定义，表示设备的用途。 它与供应商i d 配置寄存器一道来向系统提供一个确定设备所需要驱动程序的 途径。 供应商i d 寄存器：这个1 6 位域标志寄存器代表p c i 设备制造商，销售 供应商i d 由p c i s i g 给出，以确定是唯一的，0 f f f f h 是无效标志，如果不是， 那就证明在当前查找的p c i 插槽上存在一个p c i 设备，否则就视为不存在，因 此0 f f f f h 的值不可以被用来标示设备。 版本i d 寄存器：这个寄存器共8 位，表示设备的版本号。 类别代码寄存器：这是一个2 4 位的只读寄存器，共分为三个独立的8 位 单元：基类型字节、子类型字节和编程接口字节。它们分别代表设备的基本功 能( 例如大容量存储控制器) 、细化的设备子类型( 如i d e 大容量存储控制器) 以及在一些情况下寄存器指定的编程接口( 如i d e 寄存器组的指定格式) 。这 2 4 位当中最高8 位代表基类型，中间8 位代表子类型，最低8 位代表编程接口。 状态寄存器：该寄存器用于记录一个p c i 设备目前的状态。表示具有某种 功能的方法就是将相应的功能在硬件中实现。对于这个寄存器可以进行读取操 作。而写入的时候则是对于置为1 的位的写入将会将该位置为0 ，同时写入操 作不可以将目前为0 的位置为1 。图2 4 显示了各位的意义： 头域类型寄存器：这个字节标明在配置空间从1 0 h 到3 f h 的布局和这个设 备是否包括多重功能。寄存器中位7 用来识别多重功能设备。若该位是0 ，则 设备只有一个功能，若该位是1 ，则设备有多重功能。位6 到0 标明了从1 0 h 到3 f h 的布局，其它所有编码被保留。 命令寄存器：该寄存器提供了控制设备对于p c i 访问的响应以及执行的能 力。这是一个1 6 位的寄存器，而只有低端的1 0 位有意义，高6 位目前保留。 江苏人学硕士研究生毕业论义 下面2 5 显示了各位的意义。 基地址寄存器：基地址寄存器在p c i 设备功能实现上是相当重要的。基地 址寄存器在配置空间中的位置从第四个字一直到第九个。它们被用来存放p c i 设备映射的内存地址或者使用的i o 空间的首地址。在这里，p c i 规范设计者 提供了一种机制，使得i 0 和m e m o r y 分开，即在基地址寄存器的最低位上， 如果是0 ，表明这个基地址寄存器指向的是一个存储器空间，而如果是l ，那么 就是指向一个i 0 空间。在为存储器或者i o 空间分配前，还需要了解这个地 址空间的大小。在这里，可以通过一个基地址寄存器写全1 ，然后读回这个寄 存器的值，没有被改变的位( 一般来说都是地位是只读的) 基地址的各位意义如图2 3 所示。 7 43210 0 0 在3 2 位地址空间内任意映射 0 1 在低地址i m 内映射 1 0 在6 4 位地址卒间中映射 i l 保留 图2 3 基地址寄存器示意图 o 图2 4 状态寄存器示意图 旺苏大学硕士研究生毕业论义 1 51 09 8 765432l0 图2 5 命令寄存器示意图 2 4p c i 总线操作 1 、总线命令编码 总线命令对目标设备说明当前总线主设备正在请求的传输类型。总线命令在 地址周期c b e 3 0 1 # 上，在此处为了节省篇幅，只节选了部分和本课题有关系 的c b e 3 0 】# 命令，如下表2 1 所示： c m e 3 一o p 总线命令 i o 读命令用于从一个映射于i o 地址空间的单元中读取数据。a d 3 1 0 0 0 0 1 0提供某个字节的地址，全部3 2 位都必须解码。字节允许说明传送的大小 且必须与字节地址段一致。 i o 写命令用于写数据到一个映射于i ( 9 地址空间的单元中去。全部3 2 0 0 1 l 位都必须解码。字节允许说明传送的大小必须与字节地址一致。 配置读命令用于配置空间的读操作。当i d s e l 信号有效且a d i o 是0 0 1 0 1 0 时，就选中了一个单元。在配置周期的地址段期间，a d 7 2 寻址每个设 备配置空间6 4 个双字寄存器之一，字节允许寻址每个双字中的字竹，且 江苏大学硕士研究生毕业论文 a d 3 1 1 1 】上的逻辑不必要多关心，a d 1 0 8 3 说明寻址多功能单元的哪个 设备。 配置写命令j ； ；| 于传送数据到配置空间。当i d s e l 信号有效且a d 1 0 1 是 o o 时，就选中了一个单元。在配置周期的地址段期间，a d 72 寻址每 1 0 1 l个设备配置空间6 4 个双字寄存器之一，字节允许寻址每个双字中的字 节，且a d 3 1 1 】上的逻辑是不必关心的，a d 0 0 8 】说明寻址多功能单 元的哪个设备。 表2 - 1c b e i 命令表 2 、命令使用的些规则 所有p c i 设备对配置读，写命令而言，都是目标设备，都必须作出应答， 对别的命令则有选择余地。i o 读写命令是可选的，命令执行规则保证i o 读 写命令的执行。有重定位功能或寄存器的目标设备要求，能通过配置寄存器而 映射到存储器空间，并响应基本的存储器读，写命令，这就为没有i o 空间的设 备提供了一种选择。当这种映射实现时，无论设备映射到i o 空间还是存储器 空间，命令执行规则都由系统设计者来保证，对一个被映射设备的存储器读和 写都构成“存储器映射i 0 口”。 3 、基本传送机制 p c i 总线的基本传送机制是猝发传送。一个猝发传送由一个地址段和一个 或多个数据段组成。它要求目标设备和总线主设备都必须能理解隐含地址，p c i 支持对存储器和i o 地址空间的猝发。主桥路在无副作用的情况下可以将多个 存储器写操作合并为一个猝发传送。设备通过设置基本地址寄存器中的预取位 来表明没有副作用。桥路可以通过初始化期间配置软件提供的地址范围来判断 哪里允许合并、哪里不允许。当接下来的是一个不可预取的读或写时，合并数 据到缓存器必须停止( 缓存器被刷新) 。如果在可预取范围，跟在上述两事件之 后的写传送可以与后续的写合并，但不合并前面的数据。 目前尚没有已知处理器和总线主设备能对i o 空间产生猝发操作。但当i o 猝发成为现实时，目标设备和总线主设备都必须能理解隐含地址。不能进行多 数据段处理的p c i 设备必须在第一个数据段后脱离操作。所有i o 操作必须f 江嚣人学硕士研究生毕业论文 确出现在p c i 上犹如处理器产生它那样( 如果i o 操作中有目标设备被选中， 但字节允许却说明传送字节数大于该目标设备所支持的字节数，则目标设备用 目标设备失败终止传送) 。 4 、操作规则 4 3 奇偶校验 a 在每个地址段和数据段，所有的a d 线都必须驱动到稳定值。甚至未 参与当前数据传送的字节通道都应有稳定的数据在其上，以便进行奇偶校验。 奇偶校验根据下类规则产生 a 无论传送类型、格式、所有p c i 传送的奇偶校验的计算是相同的。 b a d 3 i 一0 0 、c b e 3 o 】牟和p a r 上“l ”的数量是偶数。 c 产生奇偶校验是不可选择的所有p c i 兼容设备都必须做奇偶校验。 4 4 寻址 p c i 上地址解码是分散的，即每个单元负责自己的地址解码，这样避免了 采用中央解码逻辑及在配置的设备之外的设备选择信号。p c i 支持两种类型的 设备地址解码：正解码和反解码。正解码的设备只在分配给它的地址范围内进行 解码，解码速度相对较快。反解码智能被总线上的一个设备使用，因为它接受 所有不被其它单元解码的操作，这种解码对于诸如相应于高端地址空间的标准 扩展总线这样的单元十很有效的，该单元常常就是一个与标准总线相连的桥路。 能完成正的或反的解码的目标设备，对保留总线命令编码不能作出反应( 驱动 d e v s e l # 有效) 。 包含于低两位地址( a d 1 0 1 ) 上的信息随地址空间而改变。在i o 空间， 所有3 2 位都用来提供完整的字节地址。这样就使得要求地址分解到字节一级的 单元能完成地址解码，不必因为等待字节允许而增加等待状态的周期( 这会将 反解码推迟一个额外时钟周期) 。a d i 0 1 仅用于地址解码并说明参与当前传送 的最低字节。a d 1 0 1 的编码组合如下表2 - - 2 所示，任何不在表中的组合都是 非法的，并由目标设备失败来终止。 江苏大学硕十研究生毕业论立 a d ia 1 3 0c m e 3 #g b e 2 #o _ b ej 襻d 8 e 僻 00 0 01 0 l lo xo11 i【0l1l 表2 - 2 一旦一个目标设备确认了一个i o 操作，那么它就要决定它能否完成如字 节允许所说