（测试计量技术及仪器专业论文）基于pci总线的ccd图像采集卡的研制.pdf

摘要 随着c c d 技术的发展，c c d 相机在目标跟踪、机器人导航、自动驾驶、交通监视 等应用领域，得到了广泛的应用。与此同时对数字图像信号的传输速度提出了更高的 要求。p c i 是一种高性能的计算机局部总线，拥有很高的传输速度( 3 2 b i t 时为3 3 m h z ， 其传输速率最高为1 3 2 m b s ) ，非常适合于图形、图像、3 d 动画和网络等高速外围设 备的需要。因此，p c i 总线已成为计算机的主流总线。目前有关高速外围设备的设计 均以这一总线结构为基础。 本文设计了基于p c i 总线的c c d 图像采集卡，采集的图像是黑白模拟信号。采集 卡以f p g a 为逻辑控制中心，采用d s 9 0 c r 2 8 8 a 将c a m e r al i n k 信号转换为数字图像数 据，经f i f o 缓存后，由p c i 总线接口芯片p c i 9 0 5 4 将数据送入计算机，最后通过应用 程序将图像显示出来。 本文首先详细地介绍了p c i 总线的特点、总线命令、配置方法及数据传输方式等。 为降低整个系统的开发难度，选用了p l x 公司出品的p c i 9 0 5 4 作为p c i 专用接口芯片。 论文详细地介绍了p c i 9 0 5 4 的特点、工作机理和其内部寄存器的设置方法。在此基础 上，结合c a m e r al i n k 协议构建了基于p c i 总线的c c d 图像信号采集系统。然后绘制 出原理图，结合抗干扰性能及走线的整体布局完成了印刷电路板的设计。最后研究了 系统配套软件驱动程序的开发，利用开发工具d r i v e r s t u d i o 编写驱动程序，完成从采 集卡到计算机内存的存储数据，解决了数据实时采集和图像的实时显示问题。 关键词：p c i 总线；图像采集卡；驱动程序；f p g a a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc c dt e c h n o l o g y , c c dc a m e r ah a sb e e nm o r ea n dm o r eu s e d i n o b j e c tt r a c k i n g ，a u t o m a t i cd r i v i n ga n dt r a f f i cm o n i t o r i n gf i e l d ，i t r e q u e s th i g h - s p e e d t r a n s f e ro fd i g i t a li m a g es i g n a l t h ep c ii sah i g h p o w e r e dl o c a lb u so fc o m p u t e r , a n di tc a n t r a n s f e rd a t ai n1 3 2 m b s ，s oi ti sv e r yf i tf b rh i g h s p e e dp e r i p h e r a le q u i p m e n t ，s u c ha s g r a p h ，i m a g e ，3 d a n i m a t i o na n dn e tw o r k t h ep c ia l r e a d yb e c a m em a i n s t r e a mb u so f c o m p u t e r a tt h ep r e s e n tt i m e ，t h ec o r r e l a t i v eh i g h - s p e e dp e r i p h e r a le q u i p m e n t i sd e s i g n e d a l m o s tb a s e do ni t i nt h i sp a p e r , ac c d i m a g eg r a bc a r db a s e do np c i i sd e s i g n e d f p g aa c t sa st h ei m a g e g r a bc a r d sl o g i cc o n t r o lc e n t e r t h i si m a g eg r a bc a r d u s e sd s 9 0 c r 2 8 8 at ot r a n s l a t et h e c a m e r al i n ks i g n a lt od i g i t a li m a g ed a t a a f t e rb u f f e r i n gi na nf i f or a m t h ed a t aa r er e a d i n t oc o m p u t e rb yau n i v e r s a lp c ii n t e r f a c ec h i p ，p c i 9 0 5 4 f i n a l l yt h ei m a g e sa r ed i s p l a y e d 0 ns c r e e n t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ec h a r a c t e ro fp c ib u s ，d e s c r i b et h es i g n a l sa n dc o m m a n d sa n d t r a n s f e rp r o t o c o lo fp c ib u s t op l a yd o w nd i f f i c u l t yo fd e v e l o p i n gt h eb o a r d ，w ea d o p tt h e p c i 9 0 5 4c h i pt oc o n s t r u c tt h ei n t e r f a c es y s t e m p a p e rd e t a i l st h ec h a r a c t e r i s t i c s o ft h e p c i 9 0 5 4 ，t h ew o r k i n gm e c h a n i s ma n dt h ei n t e r n a lr e g i s t e rs e tm e t h o d o nt h i sb a s i s ，t h e c o m b i n a t i o no fc a m e r al i n ka g r e e m e n tt ob u i l dap c ib u sb a s e do nc c di m a g es i g n a l a c q u i s i t i o ns y s t e m a n dt h e nd r a w ns c h e m a t i c ，c o m b i n e dw i t ha n t i - j a m m i n gp e r f o r m a n c e a n da l i g n m e n tt h eo v e r a l ll a y o u tt oc o m p l e t et h ep r i n t e dc i r c u i tb o a r dd e s i g n f i n a l l y , d e v i c e d r i v e ru s e di nt h es y s t e mi sd e v e l o p e dw i t hd r i v e r s t u d i ot 0 0 1 t h ed r i v e ri su s e dt o s a v ed a t af r o mt h ec a r dt oc o m p u t e rm e m o r ya n dr e s o l v et h ep r o b l e mo fr e a lt i m ea c c e s s i n g a n d d i s p l a y i n g k e yw o r d s ：p c ib u s ；i m a g eg r a bc a r d ；d r i v e r ；f p g a 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，基于p c i 总线的c c d 图像采集 卡的研制是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成罘。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。 作者签名：篆迢绝么皋三月勉日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定 ，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 指导导师签名：翮所夕? 桶 ， 、 y 、l ，一、 j 月力日 玉月勉日 第一章绪论弟一早殖记 1 1c c d 图像传感器特点及新技术 自从1 9 7 0 年美国贝尔实验室研制成功第一只电荷耦合器件( c c d ) 以来，依靠业已成 熟的c m o s 集成电路工艺，c c d 技术得以迅速发展。因为c c d 的基本参数是电荷，不是电 流或电压，这就在器件的外电路及信号处理方面引进了令人感兴趣的新概念和新技术。 作为摄像器件，与早期的摄像管相比，c c d 图像传感器有体积小、重量轻、分辨率高、 灵敏度高、动态范围宽、光敏元的几何精度高、光谱响应范围宽、工作电压低、功耗 小、寿命长、抗震性和抗冲击性好、不受电磁场干扰和可靠性高等一系列优点；即使 与现在的c m o s ( c o m p l e m e n t a r ym e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r ，互补金属氧化物半导体) 图像传感器相比，亦有感光度好、分辩率高、噪声小、技术较成熟等一系列优点，所 以其应用领域极其广泛，己成为摄录一体机、打印机、传真机、摄像机、数码相机、 扫描仪、数字摄像机和多媒体系统的核心部件。 随着技术的成熟及研究的深入，c c d 技术水平不断提高，图像质量有很大改善，色 彩更丰富、更逼真。近年来出现了几种比较有代表性的新c c d 技术。 ( 1 ) 超级c c d 技术( s u p e rc c d ) 。它是富士于1 9 9 9 年推出，如今已经经历了从第一 代到第五代的迅速发展。与传统c c d 相比，超级c c d 不再采用普通的矩形光电二极管， 而是用较大的八角形光电二极管，像素按4 5 度角排列为蜂窝状，控制信号通路被取消， 节省下的空间使光电二极管得以增大，而八角形的光电二极管因更接近微透镜的圆形， 从而可以比矩形光电二极管更有效的吸收光。光电二极管的加大和光吸收效率的提高 使每个像素的吸收电荷增加，从而提高了c c d 的感光度和信噪比。普通c c d 由于在互相 垂直的轴上间隔较大，使其水平和垂直分辨率低于对角线上的分辨率，而“超级”c c d 互相垂直的轴上间隔变窄，因此水平和垂直分辨率高于对角线上的分辨率，这也就意 味着水平和垂直分辨率得到了相对提高。所以，在面积与感光单元数目均相同时，“超 级c c d 的分辨率、动态范围、感光度色彩再现均有大幅度提高，而能耗却有了大幅度 的下降。 ( 2 ) x 3c c d ( 多层感色c c d ) 技术。其原理是让电子科技模仿“真实底片”的感色原 理，对每颗像素感色物料进行改造，在像素中同时加入三层感色层，使x 3c c d 的每颗 像素可同时撷取红、蓝、绿三原色。使用这种设计，以往因只可捕捉一种色彩而造成 的影像合并问题，包括清晰度不足、鬼影等问题均能迎刃而解，大大提高了影像的品 质和色彩表现，同时还可以减少余光反射所产生的噪点现象，再加上内建v p s 技术 ( v a r i a b l ep i x e ls i z e ，可变像素尺寸) ，大大提升了拍摄动态影像的效果。 ( 3 ) 四色滤光c c d 技术。它通过添加e ( e m e r a l d ，祖母绿) 滤色镜，达到增加蓝绿 色系还原来抵消黄红色系的目的。它所表现的颜色特性非常接近人眼的视觉特性，能 够比以往的c c d 更加接近自然的颜色，特别是青绿色和红色系的颜色表现力都得到大 幅度提升。s o n y 公司把四色滤光c c d 和全新处理器相接合，使色彩还原的准确度提高 一倍，得到的颜色特性非常接近人眼，特别是对青绿色和红色系的颜色表现力大大提 高，虽然增加了运算量，但是电能消耗量却可减低3 0 。除此之外，还有一些诸如微透 镜技术、h a dc c d 技术、v p m ix c c d ( 垂直混合c c d ) 技术、空间偏执技术、电子快门技术、 清晰扫描技术、电子色温校正等新技术的接连出现与应用，都加速了c c d 图像传感器 技术的更新换代。 1 2 课题研究的目的和意义 当今社会是信息的社会，信息的获取日益重要。而人类获取的总信息量的8 0 以 上，是通过视觉器官得到的。图像信息不仅在人类信息中占有很大比例，而且因它形 象直观的特点而一直是人们所乐于接受的一种信息形式。特别是现代计算机技术的迅 速发展，为图像的采集处理技术提供了极为有利的条件。 一个图像采集处理系统从原理上分主要由三部分组成：图像的获取、图像的处理 和分析、输出或显示。它综合了电视技术和计算机技术，集图像的采集、存贮、分析 与处理等诸多功能于一身，广泛应用于诸多领域：生物医学领域b 超、c t 、x 光、e c t 、 内窥镜、病理分析、医学影像、血管造影等；保安监控领域的电子警察、图像自动跟 踪、安全监控等；工业检测领域的材料图像分析、锅炉火焰监测、颗粒分析、流水线 产品外观检测、焊缝检测等；文化体育领域的保龄球道计分、电脑人像打印、骨龄检 测、运动人体动作分析等；交通管理领域的汽车车牌识别、高速公路收费、违章闯红 灯检测、交通管制系统等；军事、公安领域的各种运动物体的自动制导、运动物体的 经纬度测量、指纹识别、痕迹辨认、夜间侦察等；金融票证领域的印章支票真伪判别、 票证处理、柜员机自动检测、金库监控、运钞车现场自动检测与传输等；军事和航空 航天领域的运动目标制导、运动物体经纬度测量和痕迹辨认等这些工作中都需要图像 测量系统。其中图像采集卡是整个系统不可缺少的硬件基础，因此，研究图像采集有 着重大的工程意义。 1 3 图像采集的研究现状及发展趋势 计算机科学的高速发展，为人们利用现代数字信号处理技术高速、大量地处理信 息提供了有效手段。在总线结构中，i s a 总线已经退出历史舞台，i s a 槽已经不再作为 计算机主板的标准配置，并且i s a 总线的带宽也不能满足高速数据采集系统的要求。 而p c i 总线是一种即插即用的总线标准，支持全面的自动配置，最大允许6 4 位并行 数据传送，采用地址数据总线复用方式，最高总线时钟可达6 6 m h z ，支持多总线结构 和线性突发传输，最高峰值传输速度可达5 2 8 m b s ，它是目前各种总线标准中定义最完 善、性能价格比最高的一种总线标准。目前，大多数采集卡都采用了视频局部总线， 可以将图像数据直接采入内存，采集卡原则上可不再需要专门的帧存储体。随着c p u 的性能不断提高，c p u 直接在内存中对图像作处理，充分发挥j 微机本身越来越高的 2 性能潜力。基于p c i 总线的采集卡己开始占主导地位，也是采集乍近年来的重大技术 进步。 目前，采集卡的内部结构，根据图像采集处理是否分离、数据处理的实现方法， 大体上分为三种形式： ( 1 ) 模拟输入专用图像采集系统：这类系统将采集卡放置在与摄像头相连的计算 机中，采集卡的作用是对摄像头采集到的模拟视频信号进行a d 转换，并且通过计算 机总线接口传入计算机内存，用软件实现对数字化图像的处理分析。面阵c c d 摄像机 大多配有这种类型的数据采集卡，如北京嘉恒中自公司的o k 系列p c i 图像采集卡。 ( 2 ) 模拟输入采集处理一体化系统：这类采集处理系统仍然采用模拟视频输入， 而它的特点是视频信号的采集、量化集成到一块板卡上，结构一般为输入输出接口、 a d 转换数字化单元、高速缓冲区、f p g a 或d s p 构成的m p u 处理单元，这种结构设计 大大减轻了计算机的处理负荷，不过增加了电路设计实现的难度。闻亭公司的w t - 6 2 0 1 p a 以t i 公司的t m s 3 2 0 c 6 2 0 1 为主处理器，辅以2 万门的f p g a 预处理单元，通过c p l d 实现接口之间胶合逻辑，可以满足通用视频信号采集的要求。 ( 3 ) 数字输入、采集处理分离图像采集系统：这类处理系统的前端是数字输出的 c c d 摄像机，输出的数字化图像信号直接输入采集卡，采集卡一般采用内嵌d s p 模块 的大容量f p g a 用作处理单元，实现海量数字信号的实时处理。这种采集处理结构图 像信号传输距离长、受外部干扰小，f p g a 的在线可编程性可以实现处理算法的柔性选 择，是大数据量、实时信号处理系统的理想选择。t s u n a m i 采集处理卡就是基于f p g a 技 术的p c 工业高端图像处理解决方案，a l t e r as t r a t i x 系列f p g a 使得该板卡能够达 到最优的性价比。板上有超过1 6 0 0 0 0 l u t s 和2 0 0 个d s p 模块在以6 6 1 3 2 m h z 的速率 工作，i o 速度可以达到3 g b s ，f p g a 内部总线之间的传输速度可达到2 g b s ，板卡 的c a m e r a li n k 接口可以连接各种线扫描c c d 扫描摄像机，方便的进行数据传输和同 步控制。 近几年来，随着以多媒体技术为代表的信息产业的快速发展，人们对视频信息的 需求愈来愈强烈，图像采集与分析显得越来越重要。依托计算机技术、通信技术、网 络技术以及数字信号处理技术的快速发展，图像采集系统得到了很大发展，图像采集 卡呈现出五大发展趋势： ( 1 ) 集成图像处理开发软件，使得系统集成商更加容易将图像采集卡根据实际运 用开发相应软件。如著名的加拿大图像处理公司m a t r o x 公司开始用一半的开发资源 去做软件了。 ( 2 ) 随着硬件的发展，图像卡越来越趋于高性能、低价位。如f o r e s e e s i g h t 致力 于工业、医学图像的应用，提供高速、高清晰的图像捕捉卡。 ( 3 ) 与网络结合，实现远程图像采集。 l a b v i e w ，p x i c o m p a c t p c i 用于图像测量、 境的图像捕捉。 3 如n a t i o n a li n s t r u m e n t s 在开发其软件 识别的同时，逐渐把目光转向基于网络环 ( 4 ) 采用嵌入式的图像捕捉设备，将视频采集系统的所有功能都集成在一个小小 的电子设备上，不需要辅助设备与p c 机，携带方便，使用简单。 ( 5 ) 由于有各种特殊的需求和环境，在很多情况下，开发人员更愿意抛弃专业图 像卡厂商的产品，开发专属的图像设备。 1 4 本文的研究工作 课题要求研制一款支持数字相机视频信号的图像采集卡，采集卡完成对相机视频信 号的采集，将图像信号经p c i 总线传至p c 机内存并显示。基于此本课题的研究工作主 要包括以下几个部分： ( 1 ) p c i 总线技术，基于p c i 总线的接口技术。 ( 2 ) 基于c a m e r al in k 协议的相机接口电路研制，高速率数据缓存设计。 ( 3 ) 基于p c i 9 0 5 4 总线接口芯片的图像采集卡硬件设计及p c b 设计。 ( 4 ) 基于f p g a 技术的逻辑控制器的设计。 ( 5 ) 设备驱动程序设计。 4 第二章p ci 总线技术 2 1 概述 计算机总线是计算机各部件之间进行信息传输的公共通道。其发展大致经历了以 下几个阶段： i s a 总线( 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) ； m c a ( 标准m i c r oc h a n n e l a r c h i t e c t u r e ；微通道结构) ，它是一个经过很好定义的3 2 位总线标准； e i s a 总线( e x t e n d e di 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 ，扩展的工业标准结构总线) ； 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很大变化，要求有高速 的总线来传输数据，从而出现了多总线结构。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。p c i ( 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 ) 总线即外围部件互连 总线，是由i n t e l 公司1 9 9 1 年首先提出的，并联合世界上多家公司成立了一个叫 p c i s i g ( p c is p e c i a li n t e r e s tg r o u p ) 来完善、推广和强化p c i 标准。p c i 总线是一 种高性能的局部总线，与c p u 时钟频率无关，它能支持多个外设，尤其适用于各类高 速外设。p c i 局部总线是具有地址数据多路复用的高性能3 2 位或6 4 位的同步总线， 在3 3 m h z 总线时钟下，最大数据传输率为1 3 2 m b s 或2 6 4 m b s 。 p c i 总线是微型机上的处理器存储器与外围控制部件、外围附加卡之间的互连结 构，它规定了互连结构的协议、电气、机械以及配置空间规范。其典型的系统结构如 图2 1 所示。从图中可以看出，微处理器、高速缓存( c a c h e ) 、系统内存( d r a m ) 通过p c i 桥连接到p c i 总线上，该桥提供了一个低延迟的访问通路，使微处理器能够访问通过 它映射到存储器或i o 空间的p c i 设备；也提供了使p c i 主设备访问系统内存的高速 通路；p c i 桥还具有数据缓存功能，使c p u 可以与p c i 总线上的设备并行工作。 扩展总线桥的设置是为了能在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，从而可继续使用现有的i 0 设备。 5 图2 1p c i 结构框图 2 2p c i 总线的特点 p c i 是先进的高性能局部总线，可同时支持多组外围设备。p c i 总线小受制于处理 器，为中央处理器及高速外围设备提供一座桥梁，更可作为总线之间的交通指挥员， 提高数据吞吐量。其优化的设计可充分利用今日最先进的微处理器及个人电脑科技。 它可确保电脑部件、附件仁及系统之间的运作可靠。p c i 总线有如下显著的特点： ( 1 ) 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 备一般会由内存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 某一地址起读写大量数据，然后每次只需将地址自动加l ，便可接受数据流内下个字 节的数据。线性突发传输能更有效的利用总线的带宽去传送数据，以减少无谓的地址 操作。 ( 2 ) 良好的兼容性 p c i 总线可以与i s a 、e i s a 、v l b u s 总线兼窖。这使得在这些系统上的扩展卡也 可以在p c i 系统卜丁作，这种兼容能力，可以保障用户的投资让用户既能继续沿用 以前的附加卡，又提供额外的插槽，便于用户选用新的外围设备。且p c i 总线不受处 理器的限制，它与i n t e l 公到的各种处理器完全藏容。 ( ) 预留了发展空闻 p c i 总线在开发时预留了充足的发展空间，例如，它支持6 4 位地h i ：数据多路复 片j 。p c i 的6 4 位延伸设m 可将系统的数据传输速率提高到2 6 4 m b s 。p c 还提供r 自动配置功能，从而保证厂用户在安装外围卡时，不需要手工调整跨接线。 ( 4 ) 极小的存_ 收延误 支持p c i 的设备，存取延误极小，能够大幅度减少外围设备取得总线控制权所需 的时间。例如，连接局域网的以太网控制器，其缓冲区随时需要从网络接受大型文档， 由于要等待使用总线的批准，从而使以太网界面卡往往无法及时在缓冲区溢出之前迅 速将数据送给中央处理器，网卡被迫将文件内容存在额外的内存区。对于p c i 兼容的 外围设备，由于它能提供更快速的存取，因此网卡可及时将数据传至中央处理器，减 少所需的额外内存，从而降低附加卡的整体成本。 ( 5 ) 采用总线主控和同步操作 p c i 的总线主控和同步操作有利于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与这些总线主控 同时操作，不必等待后者的完成。 ( 6 ) 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，将中央处理器子系 统与外围设备分开。一般地说，在中央处理器总线上增加更多的设备或部件，只会降 低性能和可靠程度。而有了缓冲器的设计方式，用户可随意增加外围设备，以扩展电 脑系统而不必担心在不同时钟频率下会导致性能的下降。 ( 7 ) 扩展性好 如果需要把许多设备连接到p c i 总线上，而总线驱动能力不足时，可以采用多级 p c i 总线，这些总线上均可以并发工作，每个总线上均可挂接若干设备。因此p c i 总 线结构的扩展性是非常好的。 ( 8 ) 严格规范 p c i 总线对协议、时序、负载、电气性能、机械性能等指标都有严格的规定，这 正是其它总线不及的地方，从而保证了它的可靠性和兼容性。当然，由于p c i 总线规 范十分复杂，其接口的实现与i s a 、e i s a 相比有较高的技术难度。 ( 9 ) 低成本、高效益 p c i 芯片将大量系统功能高度集中，节省了逻辑电路，耗用较小的电路板，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 减少至5 0 以下。 2 3p ci 总线信号定义 在一个p c i 应用系统中，如果某设备取得了总线控制权，就称其为“主设备”；而 被主设备选中以进行通信的设备称为“从设备”或“目标节点”。对于相应的接口信 号线，通常分为必备的和呵选的两大类，为了进行数据处理、寻址、接口控制、仲裁 等系统功能，p c i 接口要求作为目标的设备至少需要4 7 条引脚，若作为丰设备则需要 4 9 条引脚。下【 i i 对主设备与目标设备综合考虑，将这些信号表示在图2 2 中。其中， 7 必要的引脚在左边，任选的引脚在右边。 数据地址信号 接口控制信号 错误报告信号 仲裁信号 系统信号 图2 2p c i 引脚信号 6 4 位总线扩展信号 接口控制信号 中断信号 j t a g 信号 p c i 局部总线定义的信号主要有以下几类： ( 1 ) 系统信号： 系统时钟c l k ：对于所有的p c i 设备都是输入信号，其频率范围为o - 3 3 m h z 或 o - 6 6 m h z ，这一频率也称为p c i 的工作频率。 异步复位r s t # ：用来使p c i 专用的配置寄存器、特性寄存器、定序器、主设备、目 标设备以及输出驱动器恢复为规定的初始状态。 ( 2 ) 地址和数据信号： 地址、数据多路复用输入、输出信号a d 3 1 ：0 。 总线命令和字节使能多路复用信号c b e 3 ：0 # 。 奇偶校验信号p a r ：用于a d 3 1 0 0 和c b e 3 0 # 上的数据奇偶校验。 ( 3 ) 接口控制信号： 帧周期信号f r a m e # ：由当前主设备驱动，表示一次交易的开始和持续时间。 主设备准备好信号i r d y # ：由当前主设备驱动( 交易的启动方) 驱动，该信号的有效 表明发起本次传输的设备能够完成交易的当前数据期。 8 目标设备准备好信号t r d y # ：由当前被寻址的目标驱动，该信号有效表示目标设备 已完成当前数据传输的准备工作，也就是说，可以进行相应的数据传输。 停止数据传输信号s t o p ：有效时表示目标设备要求主设备终止当前的数据传输。 锁定信号l o c k e t ：有效时表示一个对桥的原始操作可能需要多个传输才能完成。 初始化设备选择信号l d s e l # ：在参数配置读和配置写交易期间，用作片选信号。 设备选择信号d e v s e l 9 ：有效时表示驱动它的设备己成为当前访问的目标设备。 ( 4 ) 仲裁信号( 只对总线主设备) ： 总线占用请求信号r e q g ：信号有效时表明驱动它的设备向仲裁器要求使用总线。 总线占用允许信号g n t # ：用来向申请占用总线的设备表示其请求已经获得批准。 ( 5 ) 错误报告信号： 数据奇偶校验错误信号p e r r # 。系统错误信号s e r r # 。 ( 6 ) 中断信号：p c i 局部总线中共有四条中断线i n t a # ，i n t b # ，i n t c # 和i n t d ：目t ，其 中i n t b # 一i n t d # 只能用于多功能设备。中断在p c i 局部总线中是可选项，其信号属于电 平敏感型，低电平有效，采用漏极开路方式驱动。 ( 7 ) 边界扫描信号：包括t c k ，t d i ，t d o 和t m s 四个引脚，用以与p c i 设备内的t a p 控制器连接。 如表2 - 1 在此将p c i 信号的所有电气类型规定综述如下： 煮2 - 1 电气类型 2 4p ci 总线操作 总线命令是用来规定主从设备之间的传输类型的，它出现于地址期的c b e 3 ：0 # 线上。这里的主设备是指通过仲裁而获得总线控制权的设备；目标设备是指在c b e u 上出现的命令的同时，被a d 3 1 ：0 # 线上的地址所选中的设备。 9 表2 - 2 总线命令的编码、类型说明 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一个( 多 个) 数据期组成。p c i 总线支持存储器空间的突发传输，可以将多个存储器写访问在不 产生副作用的前提下合并为一次传输。只要处理机发出的一系列写数据所隐含的地址 顺序相同，主桥路就可以将它们组合成突发数据。主桥路不能把顺序的i o 访问合并 成一个突发的访问或单个的i o 访问，它们一般只有一个数据期。基本的p c i 数据 传输的主要操作由三个信号控制： f r a m e # ：由总线主控驱动，以说明传输的开始和结束； i r d y # ：由总线主控驱动，该信号能产生等待周期； t r d y # ：由目标设备驱动，该信号能产生等待周期； 当数据有效时，数据资源需要无条件设置x r d y # 信号( 写操作为i r d y # ，读操作 为t r d y # ) 。接受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 一个时钟前沿是地址周期的开始，此时传送地址信息和总线命令。下一个时钟前沿开 始一个或多个数据周期，每逢i r d y # 和t r d y # 同时有效时，所对应的时钟前沿就使数 据在主、从设备之间传送。在此期间，可由主设备或从设备分别利用i r d y # 和t r d y # 的无效而插入等待周期。一旦主设备设置了i r d y # 信号，直到当前数据周期结束为止， 主设备不能改变i r d y # 信号和f r a m e # 信号。而一个从设备一旦设置t r d y # 信号或 s t o p # 信号，就不能改变d e v s e l # 、t r d y # 或s t o p # ，直到当前的数据周期完成。 当最后一次数据传输时( 有时紧接地址周期之后) ，主设备应撤消f r a m e # 信号，而建 立i r d y # 信号，表明主设备己做好了最后一次传输数据的准备，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己完成，f r a m e # 和i r d y # 信号均撤消，接口回至 了空闲状态。 p c i 总线传输包含读、写和中止三个阶段。当一个p c i 设备需要占用p c i 总线传 输数据时，首先发出其r e q # 信号，请求占用总线。若总线仲裁器允许其占用总线时， 发出相应的g n t t t 信号。该设备收到允许信号后，要查询当前总线是否空闲，若总线忙， 说明由其它主设备仍在使用p c i 总线，必须等到总线空闲后方可启动总线传输。 1 0 读传输：如图2 ： ，显示了读操作的传输过程。 1234 c l k 一r u 一、一一、一一， f l & m 【e 拜一、 -n-一一-_-*-一 5678 9 二一、厂! 一、? ；j a d 、疆葡。一f = _ 蔼葫西一蔓疆j ：( i 蔼丽卜一_ 伽脚一：至篓鍪多( 里蔓受 ) 7 二二譬j 受匿= 、，：= 受翌堕二 一 i r d y # 一一。：i 二j 、l i ，一 瑚张一二三越一萋萋土蚤一；一 d 聍硼e l 厂一、三一j i 一一：厂一 丝丝鼙 墼堡垒- 垫丝墼- 整艘 。强绒馋瑜 r 一，一 图2 3 读操作的传输过程 f r a m e # 有效指示读操作开始，f r a m e # 有效后的第一个时钟上升沿为地址周期， c b e 3 ：0 # 出现的是读命令( i o 读或存储器读) 。当主设备准备好接受数据时，置i r d y # 有效；当目标设备准备好接受数据时，置t r d y # 有效；数据传输发生在i r d y # 和t r d y # 有效时的时钟上升沿处，i r d y # 和t r d y # 两者中的任意一个无效都将使总线自动插入一 个等待周期。由f r a m e # 无效和i r d y # 有效指示最后一个数据传输完成。 写传输：如图2 4 ，显示了写操作的传输过程。 c l k 厂、夕一一y 、i ：，、y l r 一矿、y f r a m 沏1 。； ：，? 一叶一 i 、一r 一? 争。 i： i：，； 啪t 鱼堑3 。警缝二蔓鲢二：t 二：磐篓生二：二，“专 c 嚣鼢一：磊瓣l 孥每 俘鼍绣疆f ：( 争写丽f 二7 事辑焉驴1 ； 僦，柏 。、；户：、； ； ；，一 彻y 弹i 耄耋釜莹一霉萋一三 彻y 弹l 。囊霉， 一蓬一专 d e 懈e 聃一、 ；，i ：，一一一 0 垃i 苎嚣一塾窒竺卜 墼墅壁 ， 纛簸璺谤一 图2 4 写操作的传输过程 在写操作中，由于地址和数据都是由主设备提供，不存在a d 3 l ：0 切换驱动的 问题，所以没有转换周期。除此之外，写传送和读传送类似，数据节拍完成的：【作是 相同的。 中止操作： 总线主设备和从设备都可以终止p c i 传送。无论什么原因引起终止，当f r a m e # 和 i r d y # 都无效时，所有传送将被终止，进入i d l e 周期。 总线主设备引起终止：由于某种原因，总线主控设备常常要终止一个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主控权( 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 # 响应信号，都可能导致终 止。 从设备引发的终止：从设备可以通过s t o p # 信号请求总线主控设备终止传送，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。i r d y # 与t r d y # 之间 的关系与s t o p # 与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。从设备可由以 下两种原因导致终止。一种是从设备正处于不能传送数据状态而导致终止；另一种是 从设备解除连接，导致从设备解除连接的原因有很多。例如，设备响应速度太慢，从 设备可解除连接，让出总线，以允许访问更快的设备；突发传送中，从设备检测到下 一个数据的地址已经超出规定的范围，也可能导致从设备解除连接。 总之，p c i 局部总线的交易一般遵循如下管理原则： ( 1 ) 只要s t o p # 有效，按f r a m e # 无效规则，f r a m e # 应尽可能无效。使f r a m e # 无 效应在s t o p # 有效后立刻进行，或许在2 3 个周期内完成。目标不能假定在s t o p # 有效和f r a m e # 无效之间有任何时间联系，但必须保持s t o p # 有效直到f r a m e # 无效。当 总线主控采样到s t o p # 有效时，它必须在i r d y # 有效后的第一个周期使f r a m e # 无效。 i r d y # 的有效可能作为总线主控正常i r d y # 动作之结果( 当前传送未被目标终止) ，并根 据总线主控何时做好完成数据传送的准备而被延迟o 个或多个周期。相应地，如果 t r d y # 无效，总线主控可以立刻使i r d y # 有效，这说明将不再有数据传送。 ( 2 ) 一旦s t o p # 有效，它必须保持有效直到f r a m e # 无效，随后s t o p # 必须有效。 ( 3 ) 在传送的最后一个数据段期间( f r a m e # 无效而i r d y # 有效) ，s t o p # 或t r d y # 之 间任何有效的时钟沿就成为本次传送的最后时钟，且在下一个时钟沿i r d y # 无效。 ( 4 ) 如果总线主控想完成操作，它必须用下一个未传送数据的地址来重试被目标 中止的传送。 ( 5 ) 一旦目标使t r d y # 或s t o p # 有效，到当前数据段完成之前不能改变d e v s e l # 、 t r d y # 或s t o p # 。 1 2 2 5p ci 总线的配置空间 p c i 总线规范定义j ，配置空间来存放自动配置信息，从而使所有与p c i 兼容的设 备实现真正的即插即用。 p c i 总线上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。前两个地址空间是微机都有的，配置地址空间用以支持p c i 的硬件配置。p c i 规范规定p c i 设备必须实现一定数目的配置寄存器，以提供必要的配置信息，便于系 统对该设备进行配置，p c i 规范采用这种配置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。配置空间反映了设备的功能和状态，提供了无需用户干预的 安装、配置和引导完全的设备重定位。 2 5 1 配置空间的组织 配置空间是一个容量为2 5 6 字节的地址空间，分为头标区与设备相关区两部分。 头标区长度为6 4 字节，安排在配置地址空间的最前面，如图2 5 所示，每个p c i 设 备都必须支持头标区的寄存器。设备相关区安排在配置地址空间的6 4 - - 2 5 5 字节处， 该区不是必须的，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，高位在后的排列顺序。在每个区中，设备只实现必要的和与之相配的寄存 器。配置寄存器映射到p c i 配置地址空间，通过a d 7 ：2 地址信号编码访问。 图2 5 配置空间头标l 霹= 1 3 2 5 2 配置空间头标区的寄存器描述 供应商标识符( v e n d o ri d ) ：这一部分说明了设备的制造商。有效的制造商由 p c i s i g 分配，以确保唯一性。o f f f f h 是无效的供应商标识符。 设备标识符( d e v i c ei d ) ：这一部分说明特定的设备。由供应商分配。 状态字( s t a t u s ) ：被加在配置内存地址0 4 h 的d 3 1 一v d l 6 位，用来从与p c i 总线 有联系的事件中解码状态。 命令字( c o m m a n d ) ：提供对设备产生和应答p c i 周期的能力的粗略控制，存在于 0 4 h 单元的d 1 5 d o 位。 版本标识符( r e v i s i o ni d ) ：这个寄存器规定了设备的特殊版本说明，该值由供应 商选择。o 是一个有效的值。这部分应被当作是销售商对设备标识符的扩充定义。 类码( c l a s sc o d e ) ：类码寄存器是只读寄存器，用来说明设备的通用功能( 在某些 情况下) 说明特殊寄存器级编程接口。 头标类型字段( h e a d e rt y p e ) ：该字段有两个作用，一是用来表示配置空间头标区第 二部分( 开始于i o h ) 的布局类型；二是用以指出设备是否包含多功能。该字段的位7 用 来标识一个多功能设备，此位为“0 ”，表示相应的设备为单功能设备；此位为“1 ”， 则说明该设备为多功能设备。位6 一位o 指出头标区第二部分的布局情况。 基地址寄存器：p c i 设备可以在地址空间中浮动是p c i 总线的最重要的功能之 一，能够简化