（信号与信息处理专业论文）基于dsp控制的多外设接口及pci总线接口研究.pdf

一 蔓翌燮篓型塑麦丛避蛰旦墨! 粤璺垫撼塑婴壅 。 骥婺 髓黄航爨、航天、天文燃溯等领域髂光电系统麴性能要求越嫩越嵩，硪制粼 蘧攀、象一臻鬻戆嚣蘩餐繇邂露鼙予撼燕楚套囊统戆靛艇窦鬈蕊、簿囊系蓬笺黎 稳魔有着莺戮瓣意义。侮髓题基于l 滩蕊线的通信擒蕊效率低，严灌澍约着蒸烧 性能骢摁惑，嚣发綦于掰代p c i 总线胎多串口数凇通信接口融经成为迫捌黼 嚣。 本文椴黼糟关工程研镶9 邋信揍目静黼要，设计r 粹基于w 惑线酶多帛潞 数撼转输系饿。论文牢黼先提出了以d 蕈为系统栋心懿整体设计方案，再潮燃 茉凌嚣袋羧谤，嚣蘩添逮了嚣l 蘩溺骥浚、枣器蠡蟪骥交、娶靶捺黪霉囊、湫 遗辑控巷5 模濑、电源模姨舱电路实骥。辨盥避萼亍了然统中d s p 麟片、f p g a 芯片 黪救磬编程，套绍了芯片瀚开发软件、耀静流程，对予f p g a 内制的重要功能控 爨蒺交，缭懋了豢窘惑舔器髂寞蘩暴。滚嚣运矮p 勰靛簿秀发蕊p l xs d k 4 ，2 溪 供的a p i 函数编写了测试糕序，并使用诚测试程序对繇统进行了髓诚，结果袭端， 该系统工捧镳定，实现y 骏篱豹数据健输速率，为榴哭正程研禹l 嬲麓通嫠菝戮樾 辍了蓑零蒸戳。 关键诃；p c i 慧线，b s p ，f 黼a ，r s - 4 2 2 ，串日通傣 苎主! ! ! 丝型塑堑丛壁墼里苎! 竺璺些垄旦塑堑一 s t u d yo nm u l t is e r i a lc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c eb a s e d o nd s pa n d i n t e r f a c eb a s e do np c ib u s r a nc e f a n g ( s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ) d i r e c t e db yz h o ug u o z h o n g a b s t r a c t w i t hh i g h l yi n c r e a s i n gr e q u i r e m e n t s f o r t h ep e r f o r m a n c eo ft h e p h o t o e l e c t r i cs y s t e m i nf i e l d so fa e r o n a u t ic s ， a s t r o n a u t i c sa n d a s t r o n o m i c a lo b s e r v a t i o n ，t h ed e s i g no ft h eh i g h s p e e dc o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c ew i t hu n i f o r ms t a n d a r dh a sg r e a ts i g n i f i c a n c ef o rt h e i m p r o v e m e n to ft h er e a lt i m ec o n t r o la b i l i t ya n dd e c l i n eo fc o m p l e x it y o ft h eb h o t o e l e c t r i cs y s t e m t h el o we f f i c i e n c yo ft h ec o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c eb a s e do nt r a d i t i o n a li s a b u ss e r i o u s l yr e s t r i c t s t h e i m p r o v e m e n to fp e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m t h e r e f o r et h ed e s i g no fm u l t i s e r i a le o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c eb a s e do np c ib u si sb e c o m i n gm o r ea n dm o r e e x i g e n t a c c o r d i n g t ot h er e s e a r c hd e m a n do fc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ei n c o r r e l a t i v ee n g i n e e r i n gp r o j e c t ，am u l t is e r i a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m b a s e do np c ii n t e r f a c ei ss t u d i e di nt h i sp a p e r ，f i r s t l y ，t h ew b o l ed e s i g n s c h e m eo ft h es y s t e mb a s e do nd s pt e c h n o l o g yisp r o p o s e di nt h i sp a p e r t h e n ，o na s p e c to fh a r d w a r ed e s i g no ft h es y s t e m ，i te x p a t i a t e sh o wt o i m p l e m e n tf u n c t i o n so ft h em o d u l e s ，i n c l u d i n gp c ii n t e r f a c e ，s e r i a l c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ，d s pc o n t r o l ，l o g i cc o n t r o lb a s e do i lf p g a ，a n d p o w e rs u p p l y i na d d i t i o n ，s o f t w a r ep r o g r a m so ft h ed s pc h i pa n df p g ac h i p a r ed e v e l o p e d t h es o f t w a r ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n ta n dp r o g r a mf l o wi s i n t r o d u c e da l s o 。f o rt h em a i nc o n t r o lm o d u l e si nf p g ac h i p ，t h ep r o g r a m c o d e sa n d s i m u l a t i o nr e s u l t sa r eg i v e no u t f i n a l l y ，u s i n gt h e a p i f u n c t i o n so ft h ep l xs o f t w a r ed e v e l o pk i tv e r s i o n4 2 ，t h et e s tp r o g r a m i sd e v e l o p e d t h i st e s tp r o g r a mi su s e dt ov e r i f yt h es y s t e m ，a n dt h e r e s u l t ss h o wt h a tt h e s y s t e mc a nw o r ks t e a d i l y ，a n do b t a i n h i g h t r a n s m i s s i o ns p e e d t h er e s e a r c hp r o v i d e s t e c h n i q u es u p p o r tf o rt h e c o r r e l a t i v ep r o j e c t 。 k e yw o r d s ：p c ib u s ，d s p ，f p g a ，r s 一4 2 2 ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o n i i 本人申明 本人郑重审饔：所垦交酶学位论文，是本人在导彝酶掺导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成采。对本文的磷究徽凼重要贡 献豹个人和集体，均已在文中以骥确方式标明。本入完全意识翻本声萌的 法终责任壶本人承担。 论文作者签名：盎鍪叠 日期： 、6 母 关手学位论文使用授权的声蹭 本人完全了解中国科学院光电技术研究所有关保魉、使用学位论文的 规定，同意中国科学院光电技术研究所保晤或向国家有关部门或机构送交 论文豹复印件弱电子敝，允许论文被查溺翻借潮；本入授权中圈科学院光 电技术研究艨可以将本学位论文酶全都戴郝分蠹容编入有关数据瘴进行检 索，可以采用影印、缩印或其他复镧手段僳存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：盘至垒 簿；季签名：2 翅蜀垫星麓：逸 第一章引言 第一章引言 1 1 总线技术的应用现状及发展趋势 总线是微机体系结构的重要组成部分，它是计算机各部件进行信息传输的公 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，而且通过系统总线可 以方便地组合在一起，以构成满足不同需要的微机系统。 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。不同结构的总线在 性能上差别很大。随着计算机技术的发展，总线技术的发展主要经历了i s a 总 线、m c a 总线、e i s a 总线、v e s a 总线和p c i 总线。 传统的i s a 总线分为8 位和1 6 位两种，最高数据传输率只有1 6 m b s ，其带 宽已经成为制约微机性能的瓶颈，不能满足高速数据采集和处理的要求；i b m 公 司推出的m c a 总线，数据宽度为3 2 位，数据传输率达4 0 m b s ，支持多任务操作 和多处理器环境，但由于其专利的封闭性而难以流行；e i s a 总线兼容i s a 总线， 并包括了m c a 的全部功能，虽然能支持3 2 位数据、3 2 位地址，传输率可达3 3 m b s ， 但其成本高，应用于服务器内较多。v e s a ( 视频电子标准协会) 与6 0 多家公司 联合推出的v e s a 总线，数据宽度可扩展到6 4 位，最高时钟频率为6 6 m h z ，但是 v e s a 总线为8 0 4 8 6 微机专用，用于p e n t i u m 微机还需要增加桥接电路，信号庞 杂、体积大，已随着8 0 4 8 6 退出历史舞台。 随着p e n t i u m 系列芯片的推出，i n t e l 公司联合i b m 、c o m p a q 、a p p l e 等公 司联合制定了p c i 总线标准。p c i 是一种独立于处理器的3 2 位总线，工作频率 为3 3 m h z ，最高传输率可达1 3 2 m b s 。p c i 局部总线规范2 0 版本把总线宽度扩展 为6 4 位，传输率扩大到2 6 4 m b s ，2 1 版本把总线频率提高到6 6 m h z ，传输率可 达到5 2 8 m b s 。p c i 总线支持猝发读写操作，允许外围器件与c p u 进行智能对话， 完全实现了即插即用，从而避免了i r q 、d m a 与i o 通道之间的冲突。 目前，p c i 总线已经代替了i s a 等总线成为了微机总线的主流技术，在通信、 测控、软件无线电等领域都得到了广泛的应用，而且p c i 总线也在不断完善自身 的功能，在将来一段时间内，p c i 总线及其变种( 如c o m p a c tp c i 总线) 依然是占 主导地位的总线标准。因此开发基于p c i 总线的产品已经成为一种必然趋势。 基于d s p 控制的多外设接口及p c i 总线接口研究 1 2 课题研究的目的和意义 在航空、航天、天文观测以及军事工程等领域，光电探测系统都发挥着重要 的作用。光电探测系统是一个高度集成的多传感器系统，作为光电探测系统的数 据管理控制核心，主控微机系统担负各测量设备的实时数据状态采集，接收上级 指控系统指令，控制探测设备工作方式及跟踪模式，设定传感器工作参数，对多 途径数据进行相关处理后送至其它分系统。这些功能的实现主要体现在主控计算 机与外部设备间的数据交换，在硬件上依赖于通信接口电路。硬件通信接口作为 数掘交换、指令传输的信息通道，是主控微机系统的重要组成部分。现在的光电 探测系统向多任务、多工作模式、高精度测量的方向发展，对通信接口电路提出 了更高的要求。 一是内部数据交换满足实时控制要求。在光电探测系统中，望远镜必须跟踪 瞄准不断运动变换的目标，使其光斑锁定在目标的某一固定部位，由于目标特性 变换快，有的甚至以超音速快速飞行，因此，对于系统的实时性要求很高。为了 给后台的控制算法处理提供更多的时间，以提高系统响应和控制精度，必须以尽 可能快的速度获取系统中各类传感器的数据。传统的基于i s a 总线的接口电路传 输速率低，在很大程度上制约了系统性能的提高。为了满足高速数据交换的要求， 开发基于高性能p c i 总线的接口电路已经成为迫切需要。 二是外部设备接口标准化的要求。由于任务要求的扩展，探测系统需要增挂 越来越多的外部设备。而各协作方提供的外部设备通信接口标准往往不一致，使 得系统集成的复杂程度增加。因此，外部接口约定急需各协作方按标准化数据接 口设计。传统光电探测系统的地面设备中普遍采用并行通信接口，虽然通信速率 高，但是数据线数量多、时序控制复杂，已经处于逐步淘汰阶段。异步串行通信 接口数据线数量少、时序控制简单，随着其传输速率的提高，采用标准的异步串 口通信方式是现在主控微机与外设数据交换的趋势。目前，计算机内置的两路 t s 一2 3 2 c 串口仅适合于传输距离在1 5 m 以内、传输速率在0 2 0 k b p s 范围内的通 信，无论在性能上和数量上都不能满足需要。r s 一4 2 2 和t s 一4 8 5 串口标准，定义 了一种平衡通信接口，最大传输距离为1 2 0 0 m ，传输速率可达到1 0 m b p s ，性能相 对r s 一2 3 2 c 有了很大提高。但是这两种串口未被内置于普通计算机中，要使用它 们必须开发相应的通信适配卡。 第一章引言 三是方便移植于基于其它总线结构的系统的需要。在光电探测系统中，传统 的主控计算机主要采用普通的工业控制计算机，但是随着对系统的可靠性、小型 化要求的提高，基于c o m p a c tp c i 、p c i 0 4 等总线结构的主控计算机系统将得到 越来越广泛的应用。这些总线完全兼容p c i 协议，只是在机械特性和电气特性等 方面作了特殊的规定，基于普通台式机p c i 总线的通信适配卡只需要在硬件上做 相应改动，就可以在新的系统中应用。目前，基于p c i 总线结构的多串口商业用 途的板卡发展迅速，也日益成熟，虽然采用商业板卡可以缩短系统的开发时间， 但是用户不清楚其设计细节，无法掌握p c i 接口的开发技术，对日后系统的移植 造成很大困难。而且商业板卡因为其通用性和商用性难以满足许多具体应用场合 的要求。因此，研制基于p c i 总线的通信接口对于探索p c i 技术，提高系统的可 移植性有着重要意义。 本文主要研究利用计算机的p c i 总线来扩展多路r s 一4 2 2 异步串行通信接口 的数据传输系统，采用数字信号处理器( d s p ) 管理多个串口外设，完成底层数据 采集，满足高速多传感器数据的采集和传输要求，又为采集数据的预处理提供了 平台，为相关工程研制通信接口提供技术基础。 13 系统的技术指标 ( i ) 符合p c i 规范2 2 版本： ( 2 ) 可在5 v 的p c i 环境下使用，支持即插即用： ( 3 ) 可在5 8 6 及以上机型中使用； ( 4 ) 系统需具有8 路r s - 4 2 2 异步串行通信接口，且每路串口可单独工作； ( 5 ) 异步传输波特率可设置： ( 6 ) 板卡的长度不超过1 8 c m ，高度不超过1 0 c m 。 1 4 论文内容安排 第一章简要介绍了本课题研究的目的和意义，总线技术的分类和发展情况， 以及本文的内容安排。 第二章介绍了p c i 总线的特点、信号定义、总线命令、传输协议以及配置空 间。 第三章对多串口卡的硬件平台进行了详细的阐述，主要包括多串口卡的整体 设计方案、各个模块的功能以及具体的实现。 基于d s p 控制的多外设接口及p c i 总线接e j t p f 究 第四章详细介绍了系统中主要芯片的软件设计，主要包括d s p 和f p g a 芯片 的软件开发环境，程序流程、部分程序代码和仿真结果。 果。 第五章介绍了使用p l xs d k 4 2 工具包对系统功能进行测试的方法和测试结 第二章p c i 总线简介 第二章p c f 总线简介 p c i 协议2 2 版本规定了p c i 总线的电气规范、机械规范和配置规范等诸多 内容，本章仅对p c i 总线的特点、信号定义、总线操作和总线配置等作简单介绍。 2 1p c l 总线的特点 p c i 总线以其优越的综合性能和良好的兼容性成为当前流行并最具发展潜 力的总线。与i s a 、e i s a 和v l 总线相比，其主要特点表现在： ( 1 ) 独立于处理器 p c i 总线是一种独立于处理器的总线标准，可以支持多种处理器，从而适合 多种系统。同时，将处理器子系统与外围设备分开，外围设备针对p c i ，而不针 对处理器，所以这些设备可以独立于处理器设计和升级，不会因为处理器技术的 变化使外围 发备过时。 ( 2 ) 传输效率高 p c i 总线采用3 3 卅l z 6 6 m h z 的时钟频率。在3 3 m h z 的时钟频率下，3 2 位数 据线宽度，最大数据传输率达到1 3 2 m b s ；如果数据宽度升级到6 4 位，在6 6 m h z 的时钟频率下，则数据传输率可以达到5 2 8 m b s 。 ( 3 ) 多总线共存 p c i 总线可以通过桥芯片和多种总线共存于一个系统中。通过h o s t p c i 桥 芯片，p c i 和c p u 总线相连：通过p c i - i s a e i s a 桥芯片，p c i 又和i s a 、e i s a 总 线相连。这样，慢速设备和高速设备都可以分别挂在不同总线上而共存于同一系 统中。 ( 4 ) 支持猝发传输 p c i 总线支持一种称为猝发数据传输模式，可确保总线不断满载数据，外围 设备一般从内存某个地址开始顺序读写一批数据，这种线性或顺序的寻址方式， 可以从某一地址起读写大量数据，地址自动加1 ，便可处理数据流内下一个字节 的数据。p c i 总线的线性猝发传输可以更有效地运用总线的带宽进行数据传送， 以减少无谓的地址操作。 ( 5 ) 采用总线主控和同步操作 p c i 总线的主控和同步操作功能有利于提高p c i 总线性能。总线主控是大多 数总线都具有的功能，目的是让具有处理能力的外围设备暂时接管总线，以加速 拈于d s p 控制的多外设接口及p c i 总线接口研究 执行高吞吐量、高优先级的任务。p c i 总线的同步操作功能能够保证微处理器能 够与这些总线主控器同时工作，而不必等待后者任务的完成。 ( 6 ) 具有即插即用功能 p c i 扩展卡插入后，无需设鼍跳线和选择中断，配置软件会自动选择未被使 用的地址和中断，以解决可能出现的资源冲突问题。 ( 7 ) 合理的引脚安排 p c i 总线在设计信号引脚的时候，有意在每两个信号线之间都安排了一个地 线，有力地减少了信号之间的相互干扰和音频信号的散射问题。 ( 8 ) 预留了扩展空问 p c i 总线预留了充足的扩展空间，支持6 4 位地址数据多路复用。p c i 插槽 能同时插3 2 位和6 4 位插卡，3 2 位和6 4 位外围设备在用户不知不觉中工作，它 们之间的通信对用户来说是透明的，从而达到真正的前后兼容。 2 2p c l 总线信号定义 每个p c i 总线突发传输都有两个参与者：总线主设备和目标设备。主设备是 取得总线控制权的设备，从设备是被主设备选中进行数据交换的设备。总线主设 ( a d 。，； 7 a d 5 3 ：3 2 、 、 数据? ，。 fc b e 30 】#c b e 7 ：4 # 、- 6 4 1 1 j ，p a 丑 一 p a r 6 4 、 一 i c e 0 5 4 #、 - 一 f r a e #、 二z k 5 4 #： ：t r d y #： 二i r d y #： 控制t。二s t o p #： p c i 兼容设备 l o c k #接 二d e v s e 球： i n t a #、 i d s e l、 ；i 。i t b 。i三l 中自 t w t n (、 r ，p e r 髀、 ! 报告 ：s e r e #： ：伽s b o 死# 高i 仲裁 r 。e q # 。 t d i 、 5船c l 。k 。! 。；。d ! 边； 二t m s ：t r s t # 图2 1p c i 总线信号 第二章p c i 总线简介 各可以控制总线，驱动地址、数据及控制信号：目标设备不能启动总线操作，只 能依赖总线主设备向它传递或从中读取数据。p c i 接口的连接信号如图2 1 所示， p c i 总线采用地址线和数据线复用的结构，大大减少了信号线的数量。为了管理 数据寻址、接口控制、仲裁以及系统运行，p c i 目标设备至少需要4 7 条信号线， 主设备至少需要4 9 条信号线。另外，p c i 有5 l 条可选信号线，主要用于6 4 位 扩展、中断请求和高速缓存支持等。 表2 1 是对p c i 总线信号的简单介绍，其中信号名称后缀# 表示信号是低电 平有效，并且除复位和中断信号以外，所有信号都是上升沿有效。 表2 1p c i 总线信号 信号名称信号说明 a d 3 l ：0 3 2 位地址和数据复用线 c b e 3 ：0 #总线命令和字节使能复用信号。在地址期，表示总线命令，在数据期，确定各 字节的有效与否 p a r奇偶校验信号。校验a d 3 1 ：0 和c b ee 3 ：o # 的信号 f r a m e # 帧信号。由总线主设备驱动，表明操作的开始和持续期 t r d y # 目标设备准备好信号 1 r d y 并 主设备准备好信号 s 1 d p # 目标设备请求停止当前操作 d e v s e l #设备选择信号。该信号有效，表示驱动它的设备已经成为当前访问的从设备 i d s e l初始化设备选择信号。在参数配置读写传输时，作为片选信号 p e e r 指示数据奇偶校验错误 s e e r 系统错误报告信号。报告地址奇偶错等可能引起灾难性后果的系统错误 r e o # 总线占用请求信号。该信号有效，表明驱动它的设备要求使用总线 g n t # 总线占用允许信号。该信号有效，表明申请占用总线的设备请求已经获得批准 c l k系统时钟信号 i n t a # 中断请求信号 r s t # 系统复位信号 基于d s p 控制的多外设接口及p c i 总线接口研究 在p c i 总线操作的地址周期，总线主设备在信号线c b e 3 ：0 # 上驱动命令 信息，指示当前总线操作的类型，其命令编码如表2 2 所示。 表2 2p c i 总线命令 c b ee 3 ：0 #命令类型说明c b e 3 ：0 #命令类型说明 0 0 0 0 中断响应 1 0 0 0 保留 0 0 0 1特殊周期 1 0 0 1 保留 0 0 l o i o 读 1 0 l o 配置读 0 0 1 l i o 写 1 0 1 1 配置写 0 1 0 0保留 1 1 0 0 存储器多行读 0 1 0 l保留1 1 0 1 双地址周期 o l l o 存储器读 1 1 1 0 存储器行读 0 1 1 l 存储器写 1 1 1 l 存储器写并无效 2 3p c i 总线协议基础 2 3 1p c i 总线的寻址 p c i 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，其地址译码是分散的，每个设备都有自己的地址译码逻辑，从而省去了中央 译码逻辑。p c i 总线支持正向译码和负向译码两种类型。所谓正向译码就是每个 设备都监视总线上的访问地址是否落在它的地址范围内，因此速度较快；对某设 备而言，如果在正向译码中其他设备均未被选中，那么才选中该设备，这样的方 法叫做负向译码，这种译码方式只能由总线上的一个设备来实现，并且由于它要 等到总线上其他所有设备都拒绝之后才能行动，所以速度较慢。 在i o 地址空间，3 2 位a d 线全部被用来提供一个完整的地址编码( 字节地 址) ，这使得要求地址精确到字节水平的设备不需要多等一个周期就可以完成地 址译码；在内存地址空间，用a d 3 1 ：2 译码得到一个双字地址的访问，在线性 增长方式下，每个数据周期过后地址按一个双字增长，直到传输结束；在配置地 址空间，由a d 7 ：2 寻址6 4 个双字地址寄存器，当一条配置指令的地址被译码， i d s e l 有效且a d 1 ：o = 0 0 时，设备判定是否是寻址自己的配置寄存器，如果不是 则不理会当前操作。 第二章p c i 总线简介 字节使能信号用于说明数据总线上哪些字节有效，在每个数据期内，可以自 由改变字节使能，使之对应传输数据的实际含义和有效部分 2 3 2p c i 总线的传输控制 p c i 总线上的数据传输是基于猝发机制，个猝发传送由一个地址相( 单地 址周期时) 和一个或多个数据相组成。p c i 总线上所有的数据传输基本上都是由 f r a m e # 、i r d y # 、t r d y # z 条信号线控制的。只要这三个信号构成数据传送的条件， 传送就可以一直进行下去。当数据有效时，数据源设备需要无条件设置x r d y # 信 号有效( 写操作时主设备设置i r d y # ，读操作时从设备设置t r d y # ) ，接收方可以 在适当的时间发出它的x r d y # 信号。f r a m e # 信号有效后的第一个时钟上升沿是地 址期的开始，此时开始传送地址信息和总线命令，下个时钟上升沿进入一个或 多个数据期，每当i r d y # 和it r d y # 同时有效时，所对应的时钟上升沿就使数据在 主从设备之间传送。 一旦主设备使i r d y # 信号有效，中途将不能改变i r d y 斯nf r a m e # 的状态，直 到当前的数据期完成为止。如果从设备设置了t r d y # 或s t o p # 信号，就不能改变 d e v e s e l # ，t r d y # 或s t o p # ，直到当前的数据期完成为止。也就是说，无论是主 设备还是从设备，只要启动了数据传输，就必须完成。 最后一次数据传输时，主设备应撤销f r a m e # 信号，而建立i r d y # 信号，表明 主设备已做好了最后一次数据传输的准备，待到从设备发出t r d y # 信号后，就说 明最后一次数据传输已完成，f r a m e # 和i r d y # 信号均被撤销，接口信号回到空闲 状态。 23 3p c l 总线仲裁 p c i 采用集中式的同步仲裁方法，它的每个主设备都有一对独立的请求 图2 2p c i 总线仲裁 ( r e q # ) 和允许( g n t # ) 信号线连接到中央仲裁器上，如图2 2 所示，它采用简单的 请求允许握手信号允许对总线的访问。主设备使用它的r e q # 信号有效来请求 9 赫于d s p 控制的多外设接口及p c i 总线接口i i j f 究 占用总线，仲裁器若同意请求，则使用g n t # 信号有效作为应答。 为了使访问的时间最小，p c i 总线仲裁基于访问而不是基于时间，在一个给 定的时间内，p c i 总线上只有一个总线主设备，由仲裁器决定哪一个主设备控制 总线。当多个主设备同时请求使用总线时，p c i 总线仲裁器可以使用任何仲裁算 法来决定竞争优胜者，如采用固定或循环优先级或二者的组合的算法。p c i 规范 要求仲裁器实现公平算法以避免死锁。公平意味着必须授权每个潜在的总线主设 备，独立于其他请求来访问总线，保证了当高优先级主设备连续访问总线时，不 会霸占总线，不让低优先级主设备访问。仲裁的基本协议如下： ( i ) 若设置了g n t # 有效f r a m e # 无效，当前的传输有效且能够继续下去。 ( 2 ) 如果总线不在空闲状态，一个设备的g n t # 信号有效和另一设备的g n t # 信号无效之间必须有一个延时时间，否则会在a d 线和p a r 线上出现时 序竞争。 ( 3 ) 当f r a m e # 无效时，为了响应优先级更高的主设备服务，可以在任意时 刻置g n t 娇dr e q g 无效。若总线占用者在g n t # 和r e q # 设置后，在1 6 个 p c i 时钟以后还没有开始传输，仲裁机构可以在以后的任意一个时刻移 去g n t # 信号，以响应一个优先级更高的设备。 2 3 4p c i 中断机制 p c i 总线有4 个相同优先级的中断请求线( i n t a # i n t d # ) ，它们是低电平触 发和可共享的。单功能的p c i 设备必须使用i n t a # ，而多功能设备可以使用以 i n t a # 开始的4 个中断级的任意组合，唯一的要求是每个功能部件只能连接到一 个请求线。p c i 中断是作为计算机资源在系统启动时由系统自动分配的，具体的 中断号从配嚣空间的中断线寄存器中读出。产生中断的任何p c i 功能必须实现以 下两个寄存器： 中断引脚寄存器：指定设备使用了p c i 的哪一个中断引脚，为0 表示该设备 不使用中断，为1 、2 、3 、4 分别表示使用i n t a # 、i n t b # 、i n t c # 和i n t d # 。 中断线寄存器：报告设备的中断引脚与系统中断控制器的哪一个中断输入 线相连，值o x o o f h 对应于i r q o i r q l 5 ，值i o h f e h 保留，值f f h 表示没有 连接到中断控制器。 设备驱动程序在初始化时，通过读取中断线寄存器中的值获得中断号，从 第二章p c i 总线简介 而确定中断优先级和中断向量。 2 4p c i 总线数据传输过程 p c i 总线是地址数据复用总线，每一个p c i 总线传输由地址期和数据期组 成。在地址期，总线主设备通过c b e 3 ：0 # 发送总线命令，如果是总线读命令， 紧接着地址期的时钟周期叫总线交换周期。在这个时钟周期内，a d 3 1 ：0 0 既不 被主设备驱动也不被从设备驱动，以避免总线冲突。对于写操作，没有总线交换 周期，总线直接从地址期进入数据期。 2 4 1p c i 总线读操作 图2 3 表示了总线上的一次读操作时序关系。从图中可以看出，一旦f r a m e # 信号有效，地址期就开始，并在时钟2 的上升沿处稳定有效。在地址期内， a d 3 1 ：0 0 线上传输一个有效地址，而c b e 3 ：0 # 上传输一个总线命令。数据 期是从时钟3 的上升沿处开始的，在此期间，a d 3 1 ：0 0 线上传输的是数据，而 c b e # 作为字节使能线指明数据线上哪几个字节是当前要传输的，并且从数据期 的开始一直到传输的完成，c b e # 始终保持有效状态。 图2 3 中的d e v s e l # 信号和t d r y # 信号是由被地址期内所发地址选中的从设 c l k 八n 厂、n 八厂、厂、n 厂 !；?；? f r a m f 群j ij ；i if 宅 ； a d 士巫奎k 牟= ( 匝囱二：x 画刁 之匦盎曹： i c m 磷士应画汇= 童墨二二= = = = = 二二峦守： i r d y # l 二熏墨l ! 宙l = i x d y a l 二宴= = = = 、；母l ： i d e v s e l a l ：- i 譬 二墨；i = = ：e 地址期 数据期 数据期 数据期 图2 3p c i 读操作时序 备提供的，但要保证t r d y # 在d e v s e l # 之后出现，而i r d y # 信号是发起读操作的 主设备发出的。数据的真正传输是在i r d y # 和t r d y 垌时有效的时钟上升沿进行 的，只要这两个信号中的一个无效时，就表示需插入等待周期，此时不进行数据 基于d s p 控制的多外设接口及p c i 总线接口研究 传输。例如在图2 3 中，时钟4 、6 、8 处各进行了一次数据传输，而在时钟3 、 5 、7 处插入了等待周期。 在读操作中的地址期和数据期之间，a d 线上要有一个交换周期，这要求 t r d y # 的发出必须比地址的稳定有效晚一拍。但在交换周期过后，并且有d e v s e l # 信号时，从设备必须驱动a d 线。在时钟7 处尽管是最后一个数据期，但由于主 设备因某种原因不能完成最后一次传输( 具体表现是此时i r d y # 无效) ，故f r a m e # 不能撤销，只有在时钟8 处，i r d y # 变为有效后，f r a m e # 信号才能撤销。 2 4 2p c i 总线写操作 图2 4 表示了总线上一次写操作时序关系。总线上的写操作与读操作相类似， 也是f r a m e # 信号的有效预示着地址周期的开始，并在时钟2 的上升沿处达到稳 定有效。整个数据期与读操作基本相同，只是在第三个数据期中由从设备连续插 入3 个等待周期( t r d y # 为无效) ，时钟5 处传输双方均插入了等待周期。由于写 c l k 厂_ 厂_ 厂_ 九，_ 、厂、，_ 一，_ _ 厂 e r a m f 群j ll = = = = = = e = j ：= 二堂 a d 丰画蕾珏盔葺 ： c ： 童互= 醋： c m 磷巫耍妪蚕焚垂型二 二叠歪互二= 1 ：夺二 助w l 二：篁氢il 宙il 主 t d - d v # l 二：童曩；l j 二= = _ ：士二j l 庄 d 肼s 础l 二：警苌、if i 压 篝 斗 地址期数据期数据期数据期 图2 4p c i 写操作时序 操作中，数据和地址是同一个设备( 主设备) 发出的，因而在地址期与数据期之间 没有交换周期。 图2 4 中，当f r a m e # 撤销时，必须要有i r d y # 有效为前提，以表明是最后 一个数据期。另外，从图2 4 中可以看出，主设备在时钟5 处因撤销了i r d y # 而 插入等待周期，表明要写的数据将延迟发送；但此时，字节使能信号不受等待周 期的影响，不得延迟发送。 第二章p c i 总线简介 2 ，4 3 传输终止 p c i 总线主设备和从设备都可以终止p c i 传输，但是双方均无权单方面实施 传输停止工作，需要相互配合，并且传输的最终停止控制要由主设备完成。无论 终止是由何种原因引起的，当f r a m e # 与i r d y # 都无效时，所有传送将被终止，进 入i d l e 周期。 ( 1 ) 由主设备提出的终止 主设备是通过撤销f r a m e # 信号并建立i r d y # 信号来提出终止请求的。以此告 诉从设备现在已进入最后的数据期，此后i r d y # 一直保持有效，直到出现t r d y # 信号，完成最后一个数据的传输。接着i r d y # 撤消，从而达到完全终止的条件 ( f r a m e # 与i r d y # 同时无效) ，结束传输，进入总线空闲状态。 在两种情况下主设备会提出终止传输：一是数据传输结束，这是最常见的， 表明主设备已做完要做的事：二是当主设备的g n t # 信号无效且其内部的延时计 数器己满，从而不得不终止传输，即所谓的超时。超时的原因，或者是从设备的 访问延迟，或者是主设备要做的操作太长。 ( 2 ) 由从设备提出的终止 从设备向主设备发出s t o p # 信号，就是申请终止一次传输，s t o p # 有效后， 必须保持到f r a m e # 信号撤销为止。i r d y 柳t r d y # 之间的关系与s t o p # 和f r a m e # 之间的关系无关，所以，在从设备请求终止期间( 置s t o p # 有效) ，数据仍可以传 送，这仅取决于当时i r d y # 和t r d y # 的状态。当从设备发出s t o p # 信号同时又使 t r d y # 无效时，则表明从设备将不再进行任何数据传输，主设备在此时不必等待 最后一次数据传输，而使整个操作结束。 以下两种情况从设备会提出终止当前的操作：一是死锁( 又称作重试) ，某些 非p c i 资源处于非空闲状态以及该设备处于互斥访问的锁定状态，使得当前从设 备无法进行正常的传输，不得不要求终止相应的传输操作。也就是说，从设备目 前尚无数据传输；二是由于从设备在8 个时钟周期内不能对主设备做出响应，因 而只好要求停止传输，通常也称为断开。但断开往往不会发生在第一个数据期， 也就是说，一般在进行了一些数据传输之后刁+ 会发生。 主设备要能够处理从设备以任何方式提出的终止请求。在p c i 总线上的所有 传输操作中，f r a m e # 、i r d y # 、t r d y # ns t o p # 信号一般要遵循以下规则： 基于d s p 控制的多外设接口及p c i 总线接口研究 ( a ) 当s t o p # 信号有效时，f r a m e # 应该在其后的2 3 个时钟周期内尽快撤消， 但撤消时应使i r d y # 有效，从设备应无条件的保持s t o p # 的有效状态直到 f r a m e # 撤消为止。f r a m e # 撤消后，s t o p # 也应该紧跟着撤消； ( b ) 在任何时钟的上升沿，如果s t o p p e dt r d y 垌时有效，就表示是传输的最 后周期，i r d y # 要在下一个时钟的上升沿之前撤消，表示传输的结束： ( c ) 对于被目标设备终止的传输，主设备要继续完成它，就必须用下一个未 传输的数据的地址来重试访问； ( d ) 一旦从设备发出了t r d y # 或s t o p # ，它就不能改变d e v s e l # 、t r d y # 和s t o p # 信号，直到当前的数据期完成。 2 5p o i 总线配置 定义一个p c i 总线配置空问的目的在于提供一套适当的配置措施，使之实 现完全的设备再定位而无需用户干预安装、配置和引导，并由与设备无关的软件 进行系统地址映射。 系统加电时，配置软件扫描p c i 总线，确定有哪些设备在p c i 总线上，并 根据p c i 设备各自的配置要求统一分配系统硬件资源，实现系统配置。为实现该 过程，所有p c i 设备都必须实现p c i 协议规定必需的配鼍寄存器，而p c i 的配置 访问实际上就是访问设备的配置寄存器。 25 1p c i 配置空间的组织 p c i 总线的一个物理设备可能包含一个或多个p c i 功能设备，也称p c i 逻辑 设备，每个p c i 功能设备都有6 4 个配置双字用于实现配置寄存器。p c i 协议定 义了开头1 6 个双字的格式和用途，称为设备的配置空间头区域，其他4 8 个双字 的用途与设备有关。目前的p c i 协议( 2 2 版) 定义了3 种头区域格式，l 类配置 头区域用于定义p c i p c i 桥，2 类配置头区域用于p c i - c a r d b u s 桥，0 类用于定 义其他p c i 设备。表2 3 是p c i 配置空间头区域结构。其中主要的寄存器说明如 下： 厂商标志( v e n d o ri d ) 寄存器：存放设备厂商标志，一个有效的厂商标志由 p c is i g 分配，以保证它的唯一性，可预先设置，也可以从扩展r o m 装入。若从 该寄存器读出值为o f f f f h ，则表示p c i 总线未配置任何设备。 设备标志( d e v i c ei d ) 寄存器：存放厂商指定的设备标志，具体的代码由厂 丝三翌! 望璺丝塑坌一 商分配，可预先设置，也可以从扩展r o m 装入。v e n d o ri d 和d e v i c ei d 常常用 来作为查找特定的设备的依据。 命令( c o 咖a n d ) 寄存器：存放p c i 命令，如：i o 或存储空间访问控制位、 总线主控位、系统错误输出允许位等。在进行p c i 总线数据通信前，必须设置好 这些控制位。 状态( s t a t u s ) 寄存器：记录p c i 总线有关操作的状态信息。系统对该寄存 器的读操作无特殊要求，而向该寄存器写数且可清不可援的位所对应的数据为l 时，则该位被清零。 分类代码( c l a s sc o d e ) 寄存器：用于说明设备的通用功能和特定寄存器编 程接口。例如是网络控制器、显示控制器、桥接控制器还是其他控制器等。 基地址寄存器( b a r o b a r 5 ) ：该寄存器组用于存放即插即用操作系统分配 给设备的存储空间或i o 空间基地址和定义存储空间或i o 空间的大小。 表2 3p c i 配置空间头区域结构 设备标志 厂商标志 状态 命令 分类