（生物医学工程专业论文）以pc机为平台的b超仪的接口技术研究.pdf

! ! 生! ! 垫叁兰塑! 堡兰 塑望 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fp e r s o n a l c o m p u t e r ( p c ) ，t h e c o s to ft h ep ci s d e c r e a s e dg r e a t l y o nt h eo t h e rh a n d ，t h ef u n c t i o na n dc o m p u t i n gc a p a b i l i t yo fp c a r ee n h a n c e dg r e a t l y an e wd e s i g n i n gi d e ao fbm o d eu l t r a s o n i ci n s t r u m e n ti s p r e s e n t e d a c c o r d i n gt o t h i sn e wi d e a t h ec r i t i c a l p r o b l e mi sh o wt o i n t e r f a c e b e t w e e nt h ep ca n dt h ef r o n t p a r to f t h e bm o d eu l t r a s o n i ci n s t r u m e n t t h e p a p e rf u l l yd i s c u s s e dh o w t oi n t e r f a c eb e t w e e nt h ep ca n dt h ef r o n tp a r to f t h ebm o d eu l t r a s o n i ci n s t r u m e n tb a s e do np c ib u s i ti n c l u d e st h eh a r d w a r ed e s i g n a n ds o f t w a r ed e s i g n i nt h eh a r d w a r e d e s i g np a r t ，t h ef p g ad e s i g n i n ga n dp c ii n t e r f a c ec a r d d e s i g n i n ga r ed e s c r i b e di nd e t a i l i nt h es o f t w a r ed e s i g np a r t ，t h ei n t e r f a c es o f t w a r ed e s i g n i n g ，t h ev x da n dt h e w d md r i v e ri sd i s c u s s e d k e y w o r d s ： p c if p g am a s t e rs l a v e rd e v i c ed r i v e r v x dw d m i i 讹昂t j 第一章引言 b 型超声诊断仪( 以下简称b 超仪) 是一利，无损伤、无电离辐剩、使用方便、 适刖范围广的影像诊断仪器。它的图形直观、美观，具有很高的诊断价值。n ： 因为此，b 超仪被作为一种医用常规诊断仪器，有了长足的发展。 近年来，随着计算机技术、超大规模集成电路技术等的日新月异的发展。 现代b 超仪同传统意义上的b 超仪，从设计思路上，已经有了很大的变化。图 11 为传统意义上的b 超仪的方框图。 图1 1b 超仪方框图 由图1 1 可以看出，传统的b 超仪一般由超声探头、发射接收、数字扫描 变换器( d s c ) 、显示器、控制器及电源等功能块组成。其每一个功能块都由相 应的硬件组成。故其成本一般都较高。且很多比较复杂的图像插值以及图像重 建算法等由于硬件的限制，很难用于实际应用中。 进入九十年代以来，随着p c 机成本的降低和p c 机运算能力的不断增强， 加之人们对医疗图像的要求愈来愈高以及对远程医疗的要求日益迫切，以p c 机为平台的b 超仪的设计新思路逐渐形成。近几年来，世界上一些医疗仪器公 司已经推出了以p c 机为平台的产品，如s o n o v i s i o n 公司开发的s o n o d a 黑白b 超、e c t o n 公司的s o n n e t 彩超以及a r lh d l l 0 0 0 、h d i l 5 0 0 彩超等。这些b 超仪都各有特色，但分析其设计方案，我们可以得出如下一些特点： 1 传统意义上由硬件实现的d s c 部分一般都由p c 机的软件全部或部分 来实现如图像的插值和重建等。这样可节约b 超仪的硬件成本。 2 尤其值得关注的是由于将前端采样信息存储于p c 机中，这样可运用 筘一酊0 。 p c 平台上的众多现有软件资源为图像的处理服务，从而为图像的3 d 重建及列 痫灶的自动提取等的功能的实现提供了可能性。 3 以p c 机为平台的b 超仪为远程医疗的实现提供了最好的、最为方便的 解决方案和可能性。 f 因为这样的一些特色，以p c 机为平台的b 超仪正成为业界的一种新趋 势。我国的很多医疗器械企业，如汕头超声仪器研究所等，紧跟国际b 超仪发 展的前沿，f 从事着这方面的研究。以p c 机为平台的b 超仪其关键技术之一 是前端采集的数据如何被p c 机所接收。故对于以p c 机为平台的b 超仪的接 口技术的研究显得尤为重要。 ur 科拙人学坝l 论文第二章f p g a 简介 第二章f p g a 简介 当今社会是数字化的社会，数字集成电路得到了广泛的应用。信息高速公 路、多媒体电脑、移动电话系统、数字电视、各种自动化设备以及医疗仪器等 都广泛应用了数字集成电路。与此同时，数字集成电路本身也在不断地进行更 新换代。它由早期的小规模集成电路( 几十几百门) 、中规模集成电路( 几百 几千门) 、大规模集成电路( 几千几万门) 到现在的超大规模集成电路( 几万 几十力i 门甚至百万门) 以及许多具有特定功能的专用集成电路。随着微电子技 术的发展，设计与制造集成电路的任务已不完全由半导体厂商来独立承担。系 统设计者更希望自己设计专用集成电路( a s i c ) 芯片。为满足这种需求，出现 了现场可编程逻辑器件( f p l d ) ，其中应用最广泛的为现场可编程门阵列 ( f p g a ) 和复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 。 2 1 可编程逻辑器件发展概况 七十年代初出现了可编程逻辑器件( p l d ) ，发展至今已包括简单 p l d ( s p l d ) 、复杂p l d ( c p l d ) 和现场可编程门阵列( f p g a ) 等各类器件，其 共同特点是器件内部硬件资源可由用户借助计算机辅助设计方法现场编程构造 为所需的a s i c ，因此提高了系统硬件设计的灵活性，并可缩短设计周期，降低 设计成本，为复杂系统快速设计提供了可能。这其中使用最为灵活的是f p g a 器件。在f p g a 领域处于领导地位的主要是x i l i n x 公司，其f p g a 产品占全世 界近5 0 的市场份额，并且其最新的f p g a 芯片v i r t e x 系列的容量已达2 0 0 万 门以上，最大时钟频率已达2 0 0 m h z 以上。在我的毕业设计工作中采用了x i l i n x 公司的s p a r t a n 系列的x c s 3 0 。4 p q 2 4 0 c 型号的f p g a 。此种f p g a 的特点是： 系统容量：3 0 ，0 0 0 门： 含有片内r a m ； 采用基于x c 4 0 0 0 系列f p g a 的流线型结构及高速进位链技术； 可无限次地编程； 与p c i 完全兼容等。 2 2i t s 3 0 体系结构 x c s 3 0 系列芯片由多个完全相同的功能模块( c l b ) 组成，模块之间 由结构化、层次化的布线矩阵相连接。其周围由可编程的i o b 组成。如图 2 1 所示： 以下将对各个逻辑功能块及我们的设计中用到的功能进行介绍。 2 3 逻辑功能块 2 3 1c l b c l b 用于实现f p g a 中的大部分逻辑功能，其结构如图2 2 所示 ur 科技人学珂川。论文 图2 2c l b 结构图 由图2 2 可看出一个c l b 包含3 个查找表( l u t ) ，两个触发器以及两组信 号多路器。这其中f - l u t 和g l u t 可用于实现两个四输入组合逻辑，而一个 h - l u t 能实现一个三输入的组合逻辑，故一个c l b 可实现最多九个输入的组 合逻辑；触发器用于存储组合逻辑的输出，同时触发器也可与查找表分开使用： 多路器用于选择触发器的输入和c l b 组合逻辑的输出。 2 3 2i o b l o b 用于提供内部逻辑与外部引腿之间的连接。每个i o b 可控制一个引腿， 并可被配置成输入、输出或双向。其结构如图2 _ 3 所示。 由图2 3 我们可看出，i o b 能被配置成通过l 1 和l 2 直通至布线通道或是 到输入寄存器；当l o b 被配置成输出时，输出信号能在l o b 中倒相，并可配簧 成直接送至输出b u f f e r 或是被存储在触发器中。 也j 7 科技人学坝【j 论文 图2 3l o b 结构图 2 3 3 布线通道 内部的c l b s 和l o b s 等的连接是通过可编程开关点( p s p ) 和可编程开 关矩阵( p s m ) 来实现的。以下将就几种布线通道进行说明： 一c l b 布线通道 在c l b 周围布线通路可分为三种：单长度线( s i n g l e l e n g t h ) 、双倍 长度线( d o u b l e l e n g t h ) 和长线( l o n e l i n e s ) ；在每一个水平和垂直结 合点是一个信号转向矩阵( s i g n a ls t e e r i n gm a t r i x ) 。 二可编程开关矩阵( p s m ) 水平和垂直的单双长度线都交汇于p s m 中，每个p s m 包含可编程的导通 晶体管，用这些晶体管进行线与线的连接。 三 单长度线( s i n g l e l e n g t hl i n e s ) 单长度线提供最大的互连灵活性和功能块之间最快的连接。每个c l b 有八 条水平和八条垂直的单长度线。单长度线通过p s m 相连接。 四双倍长度线( d o u b l e l e n g t hl i n e s ) 双倍长度线其长度为单长度线的两倍，在进入p s m 前经过两个c l b ，每 个c l b 包含四条水平和四条垂直的双倍长线。其提供了较快的信号连接。 五长线( l o n g l i n e s ) 长线的长度为整个的内部阵列的长度。同时，通过可编程的分裂开关 根长线可分为两个独立的布线通道。 u 了科技人学硕卜论文 鹅二章f p g a 简介 六i 0 布线通道 在i o b 周围有附加的布线通路，这一通路被称为调度环( v e r s a r i n g ) ， 这些调度环可在不影响内部布线的前提下，方便地进行引腿互换或是重设计， i 0 布线通道包括八根双倍长度线和四根长线。 除以上的布线通道外，在s p a r t a n 系列的f p g a 中，还包括用于全局控 制的网络和缓冲等。 2 4 分布式r a i l s p a r t a n 系列的f p g a 中c l b s 可被配置成两种模式的存储器：单口r a m 和双口r a m 。在双口r a m 模式下，f - l u t 和g l u t 被用于产生双口r a m ， 在本设计中，我们用到该种特性设计了一个双口r a m 来作为接收数据的缓存 区。 2 5 快速进位逻辑( f a s tc a r r yl 0 6 i c ) 在每个c l b 中，f l u t 和g u j t 有专门逻辑来产生进位和借位信号，专 用的快速进位逻辑可大大地增强计数器等的效率。 以上我们就x i l i n xs p a r t a n 系列f p g a 的结构进行了介绍，对于其在本 方案中具体的应用将在第六章中作较为详细的介绍。 第二帝p c i 乜线技术圳0 i 第三章p c i 总线技术研究 3 1 概述 随着计算机中央处理器性能的迅速提高，以及多媒体、高速通讯技术等对 数据传输要求较高的技术的不断发展，原有的计算机总线( 如e i s a 、i s a 等) 已适应不了发展的需求。在这种情况下，i n t e l 公司提出了将高速宽带的外围功 能移到靠近c p u 的地方，并通过一个系统接口( 主桥路) 与处理器存储器连 接的“局部总线”解决方案，这种总线被称为“外部器件互连”( p e r i p h e r a l c o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ) 总线，即p c i 总线。在1 0 0 多家大公司成立的p c i s l g ( 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 ts p e c i a li n t e r e s tg r o u p ) 集团的倡导下，分别 于1 9 9 3 年和1 9 9 5 年发布了p c i 2 0 和p c i 2 1 技术规范，该标准被微机厂商普遍 认同，成为新一代的标准。 p c i 总线具有严格的技术规范，符合p c i 技术规范的扩展卡可插入任何 p c i 系统并可靠地工作，这使得其具有良好的兼容性。p c i 总线一个重要的特点 是其具有极高的数据传输速度，且p c i 总线可以从3 2 位升级到6 4 位。1 9 9 5 年 2 月，p c i s i g 通过了p c i 总线的6 4 位6 6 m b s 技术规范，在这种标准下，总线 传输速率达5 2 8 m b s ；同时，p c i 总线支持线性猝发( b u r s t ) 方式，在该方 式下，传输过程不需要c p u 的直接干预便能完成；另外，p c i 总线与c p u 无 关，可支持多处理器和并发工作；其次，p c i 总线具有良好的可扩展性，通过 p c i p c i 桥，可允许无限的扩展；再者，p c i 总线支持自动配置，扩展卡不需开 关或跳线设置；同时，p c i 总线还允许平滑地从5 v 供电过渡到3 3 v 供电。所 有这些特点，都使得p c i 总线成为新一代微机的标准总线。就目前的微机而言， 一般配备有多个p c i 插槽，并配备了多种p c i 设备，如：p c i 网卡、p c i 声卡 等。 3 2 p c i 总线概述 3 2 1p c i 总线的特点 p c i 总线是先进的高性能局部总线，它可支持多组外围设备。p c i 局部总线 通过p c i 桥路，为中央处理器和高速外围设备提供了一座桥梁，成为高速外围 设备与p c 机相连接的首选总线。p c i 总线有如下特点： 1 高性能 由于p c i 总线宽度为3 2 位( 必要时可升级到6 4 位) ，且支持猝发工作方式， 船二帝p c i 总线技术川究 总线的同步丁作时钟达3 3 m h z ，具有隐含的中央仲裁器等，都决定其是砷阱_ 。h ：能的总线。 2 低成本 由于p c i 系统采用了标准的a s i c 技术和其他处理技术相结合，可使芯片 最优化；又由于采用了多路复用体系结构，从而减少了管脚数和p c i 部件；基 于1 s a 、e i s a 、m c a 系统的p c 扩展板，减少了用户的丌发费用。 3 使用方便 列于p c i 扩展卡及元件，能够自动配置，实现设备的即插即用。 4 寿命长 p c i 处理器独立，不依赖任何c p u ，可支持多种处理器及将来待丌发的更 高性能处理器；5 v 和3 ，3 v 信号环境规范化，并在工业上已完成从5 v 到3 3 v 的平滑过渡。 5 可靠性高 标准中考虑了负载容限，即使扩展卡超过了负载的最大值，系统也可币常 工作并通过了以硬件模式进行的2 0 0 0 多小时的电子s p i c e 模拟试验。 6 灵活 由于采用多控制器，允许任何p c i 主设备与从设备之间进行点对点访问； 共享槽口既可以插标准的i s a 、e i s a 、m c a 板，也可插p c i 扩展板。 7 数据完整 p c i 提供的数据和地址奇偶校验功能，保证了数据的完整性和准确性。 8 软件兼容 p c i 部件和驱动程序可以在不同的平台上运行。 3 2 2 p c i 总线的系统结构 图3 1 是p c i 总线的系统结构图。由图3 1 可看出，微处理器高速缓存存 储器子系统经过一个p c i 桥连接到p c i 总线上。这个桥提供了一个低延迟的访 问通路，通过这个桥，处理器能直接访问任何映射到存储器或i o 地址空间的 设备；同时还提供了使p c i 主设备直接访问主存的高速通路；该桥也可提供数 据缓冲功能，以使c p u 与p c i 总线的设备并行工作而不必相互等待。另外，桥 还可以使p c i 总线的操作与c p u 总线分开，以免相互影响。扩展总线接口的设 置是为能在p c i 总线上接出一条标准i o 扩展总线，如i s a 、e i s a 或m c a 总 线从而继续使用现有的i 0 设备，以增加p c i 总线的兼容性和选择范围。同 时，在p c i 局部总线系统中，p c i 扩充卡连接器可用于i s a 、e i s a 、m c a 总线 的系统中。 总之，p c i 是技术先进的高性能局部总线，它的引入，为p c 机与外围高速 设备的互连提供了可能性。 第二帚p c i 总线拽术川饨 图3 1p c i 总线系统结构图 3 2 3 p c i 总线信号 在p c i 应用系统中，有两个概念比较重要：其一，主设备( i n i t i a t o ro r b u sm a s t e r ) ，表示取得总线控制权的设备：其二，从设备( t a r g e to r s l a v e ) ，即被主设备寻址，完成当前传输的设备。对于相应的总线信号，通常 分为可选的和必备的两大类。为了进行数据处理、寻址、接口控制、仲裁等系 统功能，p c i 接口要求作为从设备的至少需要4 7 条信号线，而作为主设备则需 要4 9 条信号线。p c i 总线信号如表3 1 所示，并按功能分为几组。 表3 1p c i 总线信号及分类 分类总线信号线主设备从设备信号描述 系统 c l ki ni np c i 时钟 信号 r s t 拌i ni n复位 地址a d 3 1 ：o n q o u ti n o u t地址数据总线 c b e 3 ：o o u ti n 总线命令和字节允许 p a rn q o u ti n o u t a d 3 l ：0 】与c b e 3 ：0 】 数掘 的奇偶校验 鸽二茚p c i 总线 盘 、圳l 接口 f r a m e #t n 0 u ti n 帧周期信号：表示一次访问 开始和持续过程。 i r d y 群i n ，o u tr n主设备准备好 t r d y 舟i no u t从设备准备好 d e v s e l #mo u t设备选择 s t o p #o u t从设备要求主设备中l l 当 前传输 控制 i d s e li ni n初始化设备选择信号 错误 p e r r 捍i n o u ti n数据奇偶校验错信号 报告 s e r r 拌o u ti n系统错误信号 总线r e q # o u t 总线占h ；j 请求信号 仲裁 g n t 拌i n总线r 日用允许信号 中断i n t a #o u to u t单功能p c i 设备产生的中 断请求信号 i n l a i n t do u to u t多功能p c i 设备产生的多 信号 个中断请求信号 6 4 位 a d 6 3 ：3 2 】 i n o u ti n o u t扩展高3 2 位数据地址总 扩展 线 信号 c b e 7 ：4 】 o u ti n高3 2 位的字节允许信号 r e q 6 4 # n 可0 u ti n6 4 位传输请求信号 a c k 6 4 #i no u t6 4 位传输响应信号 p a r 6 4 #i n o u tr n o u t高3 2 位奇偶校验信号 资源 主设备对存储器的锁定操 锁存 l o c k #i n o u ti n作 信号 c a c h es b o #i n侦听返回信号 支持 s d o n e # i n侦听完成信号 边界 t c ki ni n测试时钟 扫描 t d ii ni n测试数据输入 信号 t d oo u to u t测试数据输出 t m si ni n测试模式选择 t r s t # i ni n测试复位 注：带# 号的信号为低电平有效。 以下将就其中的一些信号作一个简要的蜕明 电了科投人学硕士论文 第= 帝p c i 总线技术研究 a d 3 1 ：0 ：地址、数据的多路复用的输入，输出信号。在f r a m e # 有效时， 是地址周期；在i r d y # 和t r d y # 同时有效时，是数掘周期。在一个p c i 总线 的传输中包含了一个地址周期和一个( 或多个) 数据周期； c b e 3 ：0 ：总线命令和字节使能多路复用信号。在地址周期，线上传输 的是总线命令；在数据周期，传输的是字节使能信号，用来表示在数据周期内， 哪些字节为有效数掘。 f r a m e # ：帧周期信号。由当前主设备驱动，表示一次访问的丌始和持续 时间。该信号无效时，是传输的最后一个数据周期。 i r d y # ：主设备准备好信号。该信号有效表明发起本次传输的设备能够完 成一个数据周期。它与t r d y # 配合使用，当这两者同时有效时，爿+ 能进行完整 的数据传输，否则即为等待周期。在写周期，当该信号有效时，表示有效的数 据信号已在a d 3 1 ：0 】上；在读周期，该信号有效时，表示主设各已做好接收 数据的准备。 t r d y # ：从设备准备好信号。该信号有效表示从设备已做好完成当前数据 传输的准备工作，此时可进行相应的数据传输。同样，此信号要与i r d y # 配合 使用，这两者同时有效数据才能进行完整传输。在写周期内该信号有效表示从 设备己做好接收数据的准备：在读周期内有效表示有效数据已被送入a d 3 1 ： 0 1 上，当1 r d y # 和t r d y # 任意一个无效时都为等待周期。 s t 、o 删：停止数据传送信号，该信号由从设备发出。当它有效时，表示从 设备请求主设备终止当前的数据传送。 l o c k # ：锁定信号。是由p c i 总线上发起数掘传输的设备控制的，如果有 几个不同的设备在使用总线，对l o c k # 信号的控制权只属于个主设备。当 l o c k 群信号有效时，表示驱动它的设备所进行的操作可能需要多个传输爿能完 成。如果对于某一个设备具有可执行的存储器，则它必须实现锁定，以便实现 主设备对该存储器的完全独占性访问。对于支持锁定的目标设备，必须能提供 一个互斥访问块，且该块不能小于1 6 个字节。另外，连接系统存储器的主桥路 也必须使用l o c k # 信号。 i d s e l ：初始化设备选择信号。在参数配置读写传输期间，用作片选信号。 d e v s e l # ：设备选择信号。由从设备驱动，该信号有效时，表示驱动它的 设备已成为当前访问的从设备。它有效表示总线上的某一设备已被选中。 r e q # ：总线请求信号。该信号一旦有效即表示驱动它的设备要求使用总线。 其为点到点的信号线，任何主设备都应有自己的r e q # 信号。 g n t # ：总线允许信号。用来向申请占用总线的设备表示其请求已获批准。 这也是一个点到点的信号，任何主设备都应有自己的g n t # 信号。 p e r r # ：数据奇偶校验错误报告信号。该信号不报告特殊周期中的数据奇 偶错，只有在响应设备选择信号d e v s e l # 和完成数掘期之后，才能报告一个 p e 砌硎信号。 s e r r # ：系统错误报告信号。该信号用于报告地址奇偶错、特殊命令序列 ur 科技大学坝十论立 第三章p c i 总线技术州究 中的数据奇偶错，以及其它可能引起灾难性后果的系统错误。 i n t a # i n t d # ：p c i 局部总线上的四条中断线。其中，1 n t a # 为单功能没 备所使用，对于多功能设备，则可使用上述四个中断信号。 3 3 p c i 总线的操作 3 3 1 总线命令 总线命令是由主设备发向从设备，其作用是规定主、从设备之间的传输类 型它出现于地址周期的c b e 3 ：0 1 上，这里的主设备是指通过仲裁而获得总 线控制权的设备；从设备是指由c i b e 3 ：o 上命令及a d 3 1 ：0 上的地址所选 中的目标设备。p c i 总线命令如表3 2 所示： 表3 2p c i 总线命令 c b e 3 ：0 】 命令类型说明 0 0 0 0 中断响应中断识别命令，并返回中断矢量 0 0 0 1 特殊周期提供在总线上的简单广播机制 0 0 1 0 i 0 读 0 0 1 1 i 0 写 0 1 0 0 保留 0 1 0 1 保留 0 1 1 0 存储器读 0 1 1 1 存储器写 1 0 0 0 保留 1 0 0 l 保留 1 0 1 0 读配置空间读每一个p c i 控制器的配置空间 1 0 1 1 写配置空间写每一个p c i 控制器的配置空间 1 1 0 0 存储器重复读只要f r a m e 有效，就应保持数据通道 的连续 1 1 0 1 双地址周期用来传送6 4 位地址到某一设备 1 1 1 0 向琏缕存读用于多于3 2 位的数据期 第三市p c i 总线技术 i l 究 3 3 2 命令使用规则 所有p c i 设备都是配置命令的目标，都必须做出应答。对其它的命令则由 选择地响应。命令执行规则保证i o 命令的执行。同时，p c i 设备有重定位功 能或寄存器的目标要求，能通过配置寄存器映射到存储空间，这为没有i o 空 问设备的使用提供了一种选择。 3 3 3 p c i 总线协议 p c i 基本总线协议传输机制是猝发成组数据传输。一个分组由一个地址节 拍( a d d r e s sp h a s e ) 和一个或多个数据节拍( d a t ap h a s e ) 组成。基本 的p c i 传输，都是由三个信号控制： f r a m e # 由主设备驱动，表示次总线协议的开始和结束。 i r d y #由主设备驱动，允许插入等待周期。 t r d y #由从设备驱动，允许插入等待周期。 当数据有效时，数据源设备需要无条件地设置l d y # 信号有效，一旦主设 备使f r a m e # 信号有效，中途将不能改变f r a m e 拌的状态，直到t r d y # 无效 或数据传输结束。 3 3 4 p c i 的编址 p c i 定义了三个物理地址空间：存储器地址空间、i 0 地址空间和配置地址 空间，前两个是一般总线都有的通用空间，第三个是用以支持p c i 硬件配置的 特殊空间。 p c i 总线的编址是分布式的，每个设备都有自己的地址译码，从而不需要 中央译码逻辑。p c i 总线支持两种类型的设备地址译码：正向译码和负向译码。 1 i 0 地址空间 在i , o 地址空间，全部3 2 位a d 线都被用来提供一个完整的地址编码，这 样，使得要求地址精确到字节一级的设备只需一个周期便可完成地址译码。 2 内存地址空间 在存储器访问中，所有的目标设备都要检查a d o 和a d l ，以提供所要求 的猝发顺序，或在第一个数据节拍后让从设备脱离总线。对于所有支持猝发传 输的设备都应能实现线性猝发顺序。在线性增长方式下，每个数据周期后地址 按一个d w o r d 增长，直到结束。 在存储器访问期间，a d 【1 ：o l 有如下意义： uj 科技人学坝i 论史 第三章p c l 总线技术研究 a d l 0 0 1 a d o 0 1 x 猝发顺序 线性增加 高速缓存线触发器模式 保留 3 配置地址空间 在配置地址空间中，要用a d 2 a d 7 将访问落实到一个d w o r d 地址。当 一个设备收到配置命令时，若i d s e l 信号有效且a d o 、a d l 为o o ，则该设备 被选中。 3 4 p c i 总线传输 p c i 的数据传输过程包括读传输、写传输和传输终止等过程。 3 4 1 读传输 当f r a m e # 有效时，读传输开始。在a d 3 1 ：0 1 上保持有效的地址信号， 同时c b e 3 ：0 1 上保持一个总线命令。如果总线命令为0 1 1 0 b ( 存储器读命令) ， 同时a d 3 1 ：0 1 上的地址又在目标设备的地址范围内，该设备将置d e v s e l # 信号有效，然后主设备停止驱动a d 3 1 ：0 1 ，置i r d y # 为低，表明主设备准备 好接收数据。第一个数据节拍产生于第三个时钟周期。在这个周期里，c b e 3 ： 0 1 是字节允许，以表示数据总线的哪些字节有效。主设备在接下来的每个时钟 周期的上升沿检查t r d y # 信号，如果t r d y # 为高电平，表示从设备未准备好， 主设备自动插入等待周期，反之，将传送数据，完成一个数据节拍。当主设备 使f r a m e # 从有效变为无效，表示当前是最后一个数据节拍。 在总线传送期间f r a m e # 、c b e 3 ：0 1 和i r d y # 信号由总线主设备驱动， d e v s e l # 和t r d y # 由从设备驱动，a d 3 1 ：0 1 分别由主设备和从设备驱动，在 地址周期和数据周期之间有一个总线转换周期，可避免主设备与从设备因竞争 总线而发生冲突。 从设备在地址节拍后驱动t r d y # 和d e v s e l # 信号，对于p c i 读操作，当 从设备提供有效数据后，由从设备驱动t r d y # 信号，表示从设备准备好传送数 据，在数据节拍，从设备驱动a d 3 1 ：o 。 当在同一时钟上升沿i r d y # 和t r d y # 都有效时，数据就可以传送；当 i r d y # 和t r d y # 其中之一无效时，就插入等待周期。 图3 2 为读传送的时序图。 u + 年【投人学坝l 论文 第三章p c i 总线投术研究 八八八八八八八一 州。玉) 雹d d 二互 啪吣：承至互( 互互) 篷d 三巫 叶。一八 厂 嘞w _ 厂 d e v s e l # 。一 图3 2p c i 总线基本读操作时序图 3 4 2 写传输 在写传输中，由于地址和数据都由主设备提供，不存在a d 3 1 ：o 切换驱动 的问题，故没有总线转换周期。其基本时序如图3 3 所示，当f r a m e # 第一次 有效，地址节拍结束后传送开始。除了在地址节拍后不需要转换周期外，写传 输与读传输类似。对写和读传输，数据节拍中完成工作是相同的。 u 了科投夫学颧f 论殳 第三章p c i 总线技术川充 c l k ，八八八八八八 f r a m e * 厂一 似s ，叫至x 匝互烃互) 匹卜 c ，e tcs：。，：i；!i：!ii!：)(：i!ii!：i：；!ii：i：i：i卜 矾叫4 厂 职吖4 厂 唧距厂 图3 3p c i 总线基本写操作时序图 3 4 3 传输中止 总线主控设备和从设备都可以中止p c i 传输。无论中止是由什么原因引起 的，当f r a m e # 与i r d y # 都无效时，所有传送将被中止，进入i d l e 周期。 3 4 3 1 总线主控设备引起的中止 由于某种原因，总线主控设备常常要中止一个p c i 传送，最典型的是一次 数据传送结束；或者由于总线上具有更高优先级的设备请求占用总线而由总线 仲裁器取消当前主设备的总线控制权( 移去g n t # 信号) ：或者主设备发出了 f r a m e # 信号后在规定的时间内没有检测到目标设备d e v s e l # u h j 应信号等， 都可导致中止。 总线主控设备失败中止，是由总线主控设备所引发的不正常中止。如果 u 了科技k 学坝t i 论丑 第三章p c i 总线技术研究 d e v s e l # 直到f r a m e # 有效后第六个时钟周期仍无效，则总线主控设备可判定 目标设备对传送没有响应。那么总线主控设备认为参与这次操作的从设备没有 能力完成所要求的传送或者是寻址错误。一旦总线主控设备没有检测到 d e v s e l # ，就在随后的时钟周期使f r a m e # 无效，在随后的第三个周期使 i r d y # 无效。 总之，在所有p c i 传送中，f r a m e # 和i r d y # 信号都应遵守下列规则： f r a m e # 及i r d y # 决定总线的忙闲状态。当两者都有效时，总线处于忙状 态：当两者都无效时，总线处于空闲状态。 一旦f r a m e # 无效，在同一次传送中，它不能再次有效。 除非i r d y # 有效，否则f r a m e # 不能无效。 一旦总线主控设备己使i r d y # 有效，在当前数据节拍完成前，不能改变 i r d y # 的状态。 3 4 3 2 从设备引发的中止 从设备可以通过s t o p # 信号请求总线主控设备中止传送，一旦s t o p # 信号 有效，必须保持有效直到主设备置f r a m e # 无效。在从设备请求中止期间，数 据仍可传送，这只取决于当时i r d y # 和t i y # 的状态。 从设备可由以下两种原因导致中止： 重入( r e t r y ) ：从设备正处于不能传送数据状态而导致的中止。重入意 味着从设备将暂时中止当前传送，当传送条件满足后，重新启动传送。 解除连接( d i s c o n n e c t ) ：当设备的响应速度太慢，或在猝发传送中， 从设备检测到下一个数据的地址已经超出规定的范围等情况下，都可能导致从 设备解除连接。如果要解除连接，从设备将设置s t o p # 、t i m y # 和d e v s e l # 三个信号有效，主设备用f r a m e 挣无效来响应从设备的解除连接。如果是数据 传送完成后的解除连接，f r a m e # 无效的时间是在s t o p # 有效后的第一个时钟 的上升沿。反之，f r a m e 群的无效时间还要取决于i r d y 群信号，只有在s t o p # 信号有效后，i r d y # 也变为有效时，f r a m e # 才变为无效。 3 5 p c i 总线的仲裁 为了使访问的时间最小，p c i 总线仲裁基于访问而不是时间。总线管理必 须为总线上的每一个访问进行仲裁。在一个给定的时间内，p c i 总线上只有一 个总线主控设备，p c i 系统有一个中央仲裁电路，由中央仲裁器设定哪一个主 设备控制总线，并将控制总线设备g n t # 信号置为有效。p c i 总线执行中心仲裁 机制。仲裁信号协议如下： r e q # 总线请求信号 g n t #总线请求响应信号 也j 。科技人学硕l 。论史 第三章p c i 总线技术圳究 在p c i 系统中，每个总线主控设备都有一个唯- f l , 请求( r e q # ) 和允许 ( g n t # ) 信号。仲裁器可以在任何时钟置某一设备的g n t # 无效。当某设备 利用p c i 总线传输数据时，必须保证它的g n t # 信号在时钟的前沿被设置。仲 裁基本协议如下： ( 1 ) 若设置了g n t # 有效和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( i d l e ) ，一个设备的g n t # 信号有效和另一 个设备的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的服务，可以在 任意时刻置g n t # 矛 ir e q # 无效。若总线占用者在g n t # ；稚ir e q # 设置后，在16 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。 3 5 1 l 0 c k # 信号遵循的原则 在数据节拍，l o c k # 被置为无效时，执行访问的从设备将被锁住自身。 锁操作不能跨越设备界限。 一个主设备在锁操作中执行互斥操作时可以计算的最大的资源是1 6 位。 锁操作的第一个传输必须是读传输。 l o c k # 必须紧跟在地址周期的时钟上被设置，并保持设置以继续控制。 在数据期结束之前，重试被告之还有锁建立，l o c k # 必须被释放。 无论何时，在一存取操作被打断时，l o c k # 必须被释放。 在连续的操作中，l o c k # 必须被置成一个最小的限制空闲周期。 3 6 其他总线操作 3 6 1 设备选择 d e v s e l # 由当前事务的从设备驱动，该信号可在地址节拍后的三个时钟内 有效，但必须在从设备设置其t r d y # 、s t o p # 或数据读时或此以前有效。即从 设备必须在主设备允许其他设备的应答信号( g n t # ) 有效之前使d e v s e l # 有 效。如果从设备在规定的时间内不能设置d e v s e l # 有效，将导致从设备失败。 在其他情况下，一旦从设备使d e v s e l # 有效，它必须使d e v s e l # 有效，直到 f r a m e # 无效( i r d y # 无效) 且完成最后一个数据节拍。对于正常的总线主控 设备中止，d e v s e l # 必须与t r d y # 同时无效。 如果在f r a m e # 有效后3 个时钟内没有设备使d e v s e l # 有效，则做反向 译码的单元就应请求并使d e v s e l # 有效。如果该系统没有反向译码单元，总线 第三章p c i 总线技术训 究 主控设备就无法知道有效的d e v s e l # ，也无法利用总线主控设备失败机制去中 止这次传送。 在非配置指令中，从设备必须在d e v s e l # 有效之前用f r a m e # 去打开a d ，e 2 , 线。在配置指令中，从设备在d e v s e l # 有效之前，必须用f r a m e # 去丌放 d s e l 和a d 1 ：0 】。 3 6 2 特殊周期 该命令提供了p c i 总线上的信息发布机制、传递处理机的状态或者各个从设 备之间的信息传送。 在p c i 总线上，特殊周期指令( s p e c i a lc y c l ec o m m a n d ) 提供了一 种简单的信息传播机制。除通报处理器状态之外，它也可以用于p c i 单元之间 的逻辑边带信号传送。 特殊周期指令没有明确的从设备地址，它传播到总线上的所有单元。每个接 收单元都要检测这些信息，并判断它是否可用。对特殊周期指令，p c i 不使用 d e v s e l # 应答。 特殊周期指令也和其他别的指令一样包含地址节拍和数据节拍。与别的指令 一样，地址节拍用f r a m e # 有效来启动。在f r a m e # 和i r d y # 都无效时，地址 节拍完成。和别的指令相比较，这种指令的独特之处在于没有用d e v s e l # 有效 来应答。 在地址节拍除指令域外，没有明确的地址。此时，c b e 3 ：0 1 = 0 0 0 1 ，a d 3 1 ： 0 上的数值与命令无关。在数据节拍，c b e 3 ：0 有效。a d d l ：0 】的意义如下： a d 1 5 ：0 1 信息编码 a d 3 1 ：1 6 数据域决定的信息 3 6 3 配置周期 p c i 驱动程序提供了一个配置通道和一块独立的空间。定义了两种配置机 制，我们称之为配置机制1 和配置机制2 。 p c i 规定通过一独立的配置地址空间为软件提供初始化所需的参数和配 置。为此，要求每一个p c i 设备必须提供2 5 6 个字节的配置寄存器。 在对配置地址空间操作时，要求设备选择译码，并通过i d s e l 引脚发出信 号到p c i 设备，选择指定的设备和芯片。当某一芯片的i d s e l 有效且配置指令 的地址节拍a d 1 ：0 = 0 0 b ，c b e 3 ：0 = 1 0 1 0 b 或1 0 1 1 b ，则该设备是配置指 令的从设备。由a d 7 ：2 1 , 1 字节允许信号选择6 4 个双字寄存器，如果从设备 在给定的时间内没有作出应答，总线主控设备也将中止从设备的请求。 为支持系统中存在多条p c i 总线，定义了两种类型的配置操作格式如图3 4 所示： 第三章p c i 总线技术圳究 3 1 1 11 08721 0 类型0 3 12 42 31 61 51 11 0 87210 类型1 图3 4p c i 配置操作格式 上图表明了在配置操作的地址节拍期间a d 线的状态。用a d 1 ：0 1 线上的 值来区分类型0 或类型1 的配置操作。类型0 配置周期用于选择当前正在操作 的p c 总线上的设备。类型1 配置周期用于对别的p c i 总线提出配置请求。 在p c i 系统中，系统必须提供由软件产生配置周期的机制。这种机制一般 放于主桥路中，下面将就两种配置机制分别进行简要说明。 配置机制1 拌使用两个