（信号与信息处理专业论文）基于pci总线的电子内窥镜视频采集系统研究.pdf

、- 摘要 医用电子内窥镜是国际上新型的医疗诊断仪器，它使用微型电荷耦合器件 ( c c d ) 作为图像传感器，将人体器官内的图像清晰的显示在监视器上。随着 计算机图像技术的发展，将电子内窥镜的图像采集系统在计算机上实现将成为 电子医疗诊断仪器发展的必然趋势。 系统采用了流行的p c i 局部总线接口，。充分利用p c i 总线的高性能、高可 靠性等特点，实现了视频数据的高速采集。1 文中首先分析了p c i 总线的基本规 范，在此基础上研究了接口芯片$ 5 9 3 3 的结构和工作原理。在硬件设计中，使 用f p g a 实现了帧时钟生成、驱动信号生成、f i f o 控制和接口芯片控制等功能， 完成了c c d 视频数据由采集卡进入p c t 总线这路径。为调试方便，在f p g a 中还设计生成了c c d 输出信号的仿真信号。软件方面，设计了基于w i n d o w s 的虚拟设备驱动程序，使用$ 5 9 3 3 的d m a 模式完成了数据从p c i 总线到系统 内存的传输，并在应用程序中应用d i r e c t d r a w 组件实现了视频数据的实时显示。 在调试过程中，充分利用了f p g a 可现场再编程的特点，使用软件、硬件相结 合的办法完成了调试工作。 关键词：电子内窥镜 图像采集 p c i 总线 f p g a a b s t r a c t m e d i e a le l e c t r o n i c e n d o s c o p ei s an e wc l i n i c a ld e v i c ef o r d i a g n o s i s a n d t r e a t m e n t i tu t i l i z e sc h a r g e - c o u p l e dd e v i c e ( c c d ) a si m a g es e n s o la n dt r a n s f e r s t h e i m a g eo fp a t i e n tb o d y si n t e r i o rt o t h em o n i t o r w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h e t e c h n o l o g yo fc o m p u t e ri m a g e ，t h ei m p l e m e n t o f c o m p u t e r o nv i d e oc a p t u r es y s t e m f o re l e c t r o n i ce n d o s c o p ew i l lb et h ef u t u r eo f t h ee l e c t r o n i cc l i n i c a ld e v i c e t oa c h i e v eh i g h - s p e e dv i d e o sc a p t u r e ，t h ep o p u l a rp c il o c a lb u si n t e r f a c ei s u t i l i z e d ，w h i c hh a st h ec h a r a c t e ro fh i g hp e r f o r m a n c ea n dh i 曲r e l i a b i l i t y i nt h i s p a p e r , t h ef u n d a m e n t a ls p e c i f i c a t i o no fp c ib u si sa n a l y z e df i r s t ，b a s e do nw h i c h t h es t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h es 5 9 3 3p c ic o n t r o l l e ri ss t u d i e d a n f p g ai su t i l i z e di nh a r d w a r ed e s i g n ，t og e n e r a t et h ef r a m ec l o c k ，d r i v ec l o c k ，a n dt o p r o v i d et h ec o n t r o lo f t h ef i f o m e m o r y a n dt h ep c ic o n t r o l l e r a st ot h es o f t w a r e av i r t u a ld e v i c ed r i v e r ( v x d ) i sd e v e l o p e d ，w h i c hp e r f o r m st h ed a t at r a n s f e rf r o m p c ib u st ot h eh o s tm e m o r yi nd m am o d eo f $ 5 9 3 3 a n da na p p l i c a t i o ni s d e v e l o p e df o rt h ed i s p l a yo f t h ev i d e oi nr e a l - t i m e d u r i n gt h ed e b u g g i n g ，t h ef i e l d r e p r o g r a r n m a b i l i t yo f t h ef p g ai sw e l lp r a c t i s e d ，a n dt h et e s t i n gw o r ki sc o m p l e t e d w i t ht h ec o m b i n a t i o no ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e 。 k e y w o r d s ：e l e c t r o n i ce n d o s c o p e v i d e oc a p t i l r e p c i b u s f p g a 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 医用电子内窥镜系统综述 1 1 1医用电子内窥镜技术的发展 内窥镜( e n d o s c o p e ) 源自于希腊语的e n d o “内部”和s k o d e o “观 察”。为了观察人体内部各器官的结构状况，人类进行了不断的探索，早在1 7 9 5 年b o z z i n i 就曾经提出过内窥镜的设想。1 8 6 2 年a d o l f k u s s m a u l 用硬管镜观察 到了人体的上消化道部位，开创了内窥镜发展的先河。在以后的几十年里围绕 着图像质量的提高和检查部位的拓展，内窥镜技术发展的先驱们经过不懈的努 力，使硬管式内窥镜不断走向成熟。 1 9 3 2 年由德国人r u d o l fs c h i n d l e r 和g e o r gw o l f 研制的半软体内窥镜成为 内窥镜发展史的里程碑，它标志着内窥镜发展的第二个新时代的开始。半软体 内窥镜使得医生能够更深入地探测人体消化道的状况。s c h i n d l e r 也由于半软体 内窥镜研究的巨大成就而获得了“内窥镜之父”的美称。 内窥镜发展的第三个阶段是以h i r s c h o w i t z 为首的研究小组于1 9 5 8 年研制 出软体光纤内窥镜为标志。在此之后科技工作者们对软体光纤内窥镜的功能进 行了不断的扩充和完善，例如：加入了充气充水通道及活检通道；实现了窥头 弯曲功能；将镜身做得更细、更柔软等。这一切使软体光纤内窥镜成为现代医 院各科室常规检查中的必备仪器。 电子内窥镜的出现在内窥镜技术发展史上具有重要意义。美国w e l c ha l l y n 公司经过8 年的研制，在全美消化道内窥镜学会1 9 8 3 年年会上展示了世界上第 一台医用电子内窥镜( e l e c t r o n i ce n d o s c o p e 或v i d e oe n d o s c o p e ) ，显示器上清晰 的图像使到会的近2 ，0 0 0 名医务工作者不由自主地从座位上站起来，鼓掌庆贺 这台革命性的新仪器诞生。近十几年来，随着微电子和计算机技术的发展，医 用电子内窥镜的图像质量和功能不断完善，在国外各大、中型医院已逐步取代 光纤内窥镜。 电子内窥镜与软体光纤内窥镜相比有以下的优点： 1 由于使用了电荷耦合器件( c c d ) ，使图像分辨率突破了光纤内窥镜中 光纤数目的限制，图像质量有很大的提高； 2 内窥镜图像重现在监视器上，便于观察； 3 用电线代替光纤传输图像避免了光纤束易折断的弊病，同时也减轻被诊 断者的痛苦； 4 可以对内窥镜图像进行存储及数字处理，使图像的定量化分析成为可能， 极大地扩展了医用内窥镜的应用范围。 8 0 年代后期，随着医用电子内窥镜技术走向成熟，围绕医用电子内窥镜的 图像处理的研究工作蓬勃开展起来。 天津大学硕士学位论文 法国的j er e y 等将电子内窥镜输出的视频信号采集进计算机进行图像处 理和分析，用计算机图形学的方法重建人体消化道图像，并将可能的不同病灶 部位用不同的颜色标示出来，方便了医生的观察和判断。 意大利的s g u a d a g n i 等以电子内窥镜和一台3 8 6 计算机为核心，组成了一 套医用电子内窥镜图像处理分析系统，图像处理部分主要完成图像放大、对比 度增强、图像直方图均衡化、边缘提取和伪彩色处理等功能；图像分析部分包 括长度圆周面积的测量、彩色分析及按彩色特征进行图像分类等功能。 日本既是一个研制、生产电子内窥镜系统的大国，同时也是研制与电子内 窥镜相关的图像处理系统的大国。m a f u j i n o 等早在1 9 9 2 年就采用数字模拟 混合的方式，利用医院的局域网( l a n ) 实现了内窥镜病历图像的调度、管理， 充分利用了数字处理图像质量高但实时性差，而模拟处理实时性好但图像保真 度低的特点，将模拟处理设置成在线方式，数字处理设置成离线方式；为节省 图像存储的空间和图像传输的时间，该系统中采用了o l y m p u s 公司生产的图像 压缩处理器( m d - - 7 0 2 ) 对图像进行无损或有损压缩，无损压缩的压缩比为3 ：1 ， 采用的是线性预测编码( d p c m ) 的方法；有损压缩的压缩比有6 ：1 和1 0 ：1 两 档可以选择，采用的技术是基于离散余弦变换( d c t ) 的变换编码方法。 从近几年电子内窥镜发展的趋势来看，一套完整的医用电子内窥镜系统不 仅应包括高质量的图像采集、视频处理及显示子系统，还应包括对电子内窥镜 图像的处理、分析、传输和数据库管理子系统，以方便医务人员的会诊、治疗、 培训及对病案的管理。 1 1 2我国电子内窥镜的应用和研究现状 医用内窥镜现已广泛应用于我国各级医院的消化内科、普外科、妇产科、 泌尿外科、呼吸内科和肝胆内科等，对各类疾病的诊断和治疗具有不可替代的 作用。广泛使用先进的医用电子内窥镜进行各种疾病的常规检查，对提高医疗 诊断和治疗水平，保证人民身体健康具有重要意义，因而医用电子内窥镜的研 制开发将会获得良好的社会效益。 我国现有县级以上大、中型医院1 5 ，0 0 0 余家，除少数大型综合医院拥有电 子内窥镜外，绝大多数医院目前使用的还是软体光纤内窥镜，每家医院目前使 用的光纤内窥镜少则二、三台，多则十几台，因此，我国现行各级各类医院已 装备的内窥镜则有1 0 万台。软体光纤内窥镜由于受光纤传输束图像分辨率不高 和光导纤维弯曲时易折断等致命的缺陷所限，条软体光纤内窥镜一般只能使 用4 ，0 0 0 5 ，0 0 0 病例就需报废。9 0 年代初，国外研制和生产电子内窥镜的厂 家打入中国市场，我国少数几家医院购置了这种新型设备。电子内窥镜不仅图 像质量远远高于软体光纤内窥镜而且使用寿命更长，因而深受医务工作者的欢 迎。但由于电子内窥镜的售价相对昂贵( 1 8 万元4 0 万元之间) ，除国家需花 费大量外汇外，我国的各级各类医院也要承受相当的经济负担，这就影响了电 子内窥镜的推广普及。但随着人们享受医疗水平的提高，在各大，中型医院用 电子内窥镜替代现有的光纤内窥镜，将成为趋势，这必将形成大的市场。 我国目前在医用内窥镜技术领域的研究同国外比，相对落后。w 前只有少 数几家光学仪器厂生产光纤内窥镜，而电子内窥镜的生产目前在我国还是一个 天津大学硕士学位论文 空白，其研制工作才刚刚起步，而且面临很多技术难点。国外厂商为长期占有 中国这个巨大的电子内窥镜市场，其相关技术也一直没有公开。 为了打破国外厂商的垄断，推广普及电子内窥镜技术，提高人民享受医疗 卫生的水平，研制具有我国自主知识产权的电子内窥镜产品具有重要的意义。 1 2p c i 局部总线简介 1 2 ip c i 总线的产生背景 p c i 的英文全称为：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 ，即外设部件互连。 p c i 总线的产生部分归功于微机霸主地位的竞争。2 0 世纪8 0 年代，由于i b mp c 机系统的开放性，全世界p c 机的制造商纷纷向其i b m p c 标准靠拢，使i b mp c 系列产品风靡全球。与此同时，i n t e l 和m i c r o s o f t 也迅速发展壮大，对i b m 构 成了威胁。i b m 为保护自身利益，将计算机总线由i s a 总线升级到m c a 总线， 并于1 9 8 7 年4 月在p s 2 机上推出。m c a 是3 2 位总线，传输率为4 0 m b s ，可 共享资源，具有多重处理能力。为了遏制其他厂商仿制，i b m 未将m c a 总线 技术标准公布，使这一高性能总线为公司专有产品。 为了打破i b m 的垄断，1 9 8 8 年9 月，c o m p a q 、a s t 、e p s o n 、h p 、o l i v e t t i 、 n e c 等9 家公司联合起来，推出了一种兼容性更优越的总线e i s a 总线。 该总线除了具有与m c a 总线完全相同的功能外，还与i s a 总线1 0 0 兼容。 e i s a 总线是3 2 位总线，支持多处理器结构，具有较强的i o 扩展能力和负载 能力，支持多总线主控，传输率为3 3 m b s ，适用于网络服务器，高速图像处理， 多媒体等领域。由于e i s a 总线是兼容商共同推出的，技术标准公开，因而受 到世界上众多厂家的欢迎，相继有上百种e i s a 卡问世。 局部总线( l o c a lb u s ) 的出现是p c 体系结构的重大发展，它打破了数据 i o 的瓶颈，使高性能c p u 的功能得以充分发挥。从结构看，所谓局部总线是 在i s a 总线和c p u 总线之间增加的一级总线。由于独立于c p u 的结构，使总线 形成了一种独特的中间缓冲器的设计，从而与c p u 及时钟频率无关，因此用户 可将一些高速外设，如网络适配卡、图形卡、硬盘控制器等从i s a 总线上卸下 而通过局部总线直接挂接到c p u 总线上，使之与高速的c p u 总线相匹配，而不 用担心在不同时钟频率下会引起性能上的改变。 1 9 9 1 年1 1 月，i n t e l 公司在一次i n t e l 技术论坛上首次提出了将高带宽的外 围功能移到靠近c p u 的地方，并通过一个系统接口( 主桥) 与处理机存储器 连接的局部总线解决方案，称之为“外部器件连接( 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 t ) ”总线，即p c i 总线。i n t e l 联合了i b m 、c o m p a q 、a s t 、h p 、 d e c 等1 0 0 多家公司成立了p c i 集团，全名为：p e r i p h e r a l c o m p o n e n t i n t e r c o n n e c t s p e c i a l i n t e r e s t g r o u p ，简称p c i s i g ，负责编写p c i 总线规范。规范的首版于 1 9 9 2 年6 月发表。在这之后，随着p e n t i u m 处理器的发展及广泛应用，p c i 局 部总线的优越性能逐渐发挥出来，成为当今计算机系统的主流总线结构。 天津大学硕士学位论文 1 2 2p c i 总线的发展动力 总线是解决信息传送问题的工具，微机系统性能与总线性能是密切相关的。 因此，微机性能的提高必然要求总线性能提高。影响总线技术发展的因素很多， 其中商业利润是个很重要的因素。p c i 总线的涎生既是微机技术发展的需要， 也是公司利益的需要。总的来看，p c i 总线之所以能够发展，其动力之是g u i ( g r a p h i c a lu s e r i n t e r f a c e ，图形用户接口) 的发展。图形用户接口以其良好的 人机界面和操作方便等优点得到了迅速发展，以w i n d o w s 为代表的新代操作 系统风靡全球。图形界面操作系统需要大容量存储器，因而，刺激了r a m 芯 片的生产，同时也对总线提出了更高的性能要求。 例如：在多媒体视频图像的显示中，设分辨率为6 4 0 x 4 8 0 ，每秒3 0 帧，显 示彩色深度为2 4 位，则： 多媒体显示卡的数据吞吐量= 6 4 0 4 8 0 3 0 3 = 2 7 6 4 8 m b s 高速光纤1 0 0 m b s 的传输速率，需要总线的吞吐量为： 1 0 0 m b sf d d i 的吞吐量= 1 0 0 m b s = 1 2 5 m b s 由此看出，1 0 0 m b s 光纤网传输视频动态图像必须借助压缩技术。 外围设备数据吞吐量与总线传输率之间的比例关系没有严格的规定，一般 地，一条总线可能挂接3 5 个高速外设，因而总线的最大传输率应为高速外设 的3 5 倍，即： 总线的最大传输率= ( 3 5 ) 高速外设吞吐量 由此可计算出多媒体视频播放卡对总线最大传输率的需求为： t r a nm u l t i m e d i a = 2 7 6 4 8 ( 3 - 5 ) = 8 2 9 4 4 - 13 8 2 4 m b s 在1 0 0 mf d d i 光纤高速网络中，对总线最大传输率的需求为： t r a nf d d i 2 1 2 5 ( 3 - 5 ) 23 7 5 - - - 6 2 5 m b s 而i s a 总线的最大传输率为8 m b s ，e i s a 总线为3 3 m b s ，这远不能满足 图形操作系统和高速网络的要求。而p c i 总线的传输率高达1 3 3 m b s ，可以满 足以上要求。 另推动p c i 总线发展的原因是它可以降低系统成本。用大量面向p c i 总 线的处理芯片来构造系统机、工作站、外围设备及板卡，其性能优越，处理能 力、传输速度都很高。反之，若不采用面向p c i 的芯片进行设计，实现同样的 功能，其成本将升高1 0 1 5 。 1 2 3p 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各。p c i 局部总线不 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。p c i 采用高度综 合化的局部总线结构，其优化的设计可充分利用当今最先进的微处理器及个人 电脑科技。它可确保计算机部件、外设及系统之间的可靠运作，并能完全兼容 现有的i s a e i s a m i e r oc h a n n e l 扩充总线。总之，p c i 局部总线具有以下特点： 1 高性能 p c i 是一套整体的系统解决方案，较其他只为加速图形和视频操作的局部 天津大学硕士学位论文 总线优越。它能提高网络接口卡、硬盘的性能；可以出色地配合全活动影像、 图形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 位数据总线，可支持多组外围部件及附加卡。数据传送速率可高达 1 3 2 m b s ，远远超过标准i s a 总线5 m b s 的速率。即使在3 2 位的情况下，也能 支持奔腾( p e n t i u m ) 级电脑的图形数据传送速率。 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。 外围设备一般会由内存某个地址顺序接收数据，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一，便 可接收数据流内下一个字节的数据。线性突发传输能够更有效地运用总线的带 宽去传送数据，以减少无谓的地址操作。 另外，p c i 最独特之处是可以支持突发读取及突发写入，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 权所需的时间。例如，连接局域网络的以太网控制器，其缓冲区随时需要由网 络接收大型档案，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，网络界面卡被迫将文件内 容存在额外的内存区。对于p c i 兼容的外围设备，由于它能够提供更快速的程 序，因此以太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。 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。一般来说，在中央处理总线上增加更多的设备 和部件，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 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性能的下降。 独立于处理器的总线设计还可保证处理器技术的变化不会使任何个别系统 的设计变得过时，使消费者大为受惠。 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) 电脑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。它可为便携式电脑及笔记本电脑提供台式 电脑的图形性能，又可支持3 3 v 的电源环境，延长电池寿命，为电脑的小型化 创造了良好的实现条件。p c i 可缩小零件的尺寸，减少零件的数目，从而节省 了宝贵的线路板空间，可使系统设计者在其产品中加入更多功能。 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，因此他与i s a 、e i s a 及 m c a 总线完全兼容。虽然现有电脑系统的插槽数目有限，但p c i 局部总线可 天律犬学硕士学位论文 提供“共用插槽”，以便接插个p c i 、i s a 、e i s a 及m c a 插头。这种兼容能 力能保障用户的投资，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，方便用户选用新的外围设备。 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，这是它的项重要特性。例如， 它支持6 4 位地址数据多路复用。这是考虑到新一代的高性能外围设备最终将 需要6 4 位宽的数据通道。p c i 的6 4 位延伸设计，可将系统的数据传输速率提 高到2 6 4 m b s 。同时，由p c i 插槽能同时接插3 2 位和6 4 位插卡，所以，3 2 位 与6 4 位之间的通信是在用户不知不觉间进行的，从而做到了真正的瞻前顾后兼 容。 1 2 4 国内p c i 总线的研究与应用现状 p c i 局部总线从产生至今已有近1 0 年的历史，如今已在世界范围内得到了 广泛应用。从国内已公开发表的书籍、刊物、文献来看，我国在有关p c i 总线 方面的工作，大致可分为两个阶段：9 7 年及其以前，大多是把p c i 总线当作一 个新事物做总体概况介绍；9 8 年至今，则主要是采用专用p c i 接口芯片完成各 种p c i 板卡的设计实现。其中存在的问题归纳如下： 1 很多文章都是对p c i 总线做概况介绍，很少加进自己的理解。有的文献 做的是协议的翻译工作，但对协议理解不准、描述不清。尚未见到对p c i 最新 协议全面准确的解读。 2 尚未看到对实际p c i 接口设计开发工作的详细报道。对于计算机外围设 备的开发，还停留在应用i s a 总线的阶段，直到近两年，随着微机主板制造商 逐渐淘汰i s a 总线接口，才不得不将外设的开发转向为基于p c i 总线。 3 当前p c i 接1 2 1 设计几乎都用现成的国外生产的接口控制芯片，市场完全 被国外公司垄断，结果使产品成本很高。 4 w i n d o w s9 x n t 是当前主流操作系统，对于p c i 总线提供了很好的支 持，但是有关基于它们的p c i 设备驱动程序设计却开展得不够，大多数开发者 还停留在使用汇编语言，在d o s 平台下开发接口驱动程序的阶段。 1 3 论文的主要工作 本课题着眼于使用计算机实现电子内窥镜的视频采集系统，选用p c i 总线 作为视频数据的传输路径，将微型c c d 捕获到的视频信息显示在计算机监视 器上。论文在分析p c i 总线协议的基础上，介绍了p c i 通用接口芯片a m c c $ 5 9 3 3 的功能及特点。设计并制作了硬件电路，在一片f p g a 中实现了时钟的 生成、同步数据的生成以及接口芯片和f i f o 存储器的控制。软件部分，设计 了w i n d o w s 操作系统下的p c i 外设的驱动程序及实时显示应用程序。 天津丈学硕士学位论文 第二章p c i 局部总线及其实现方法 2 1 概述 对于p c i 局部总线的介绍最权威的就是p c is i g 发布的p c i 协议，这是世 界各国设备提供商生产设计p c i 产品的根本依据。本章以最新发布的p c i 协议 ( v 2 2 ) 为蓝本介绍p c i 总线的引脚定义、总线操作、配置空间等内容。 2 1 1p c i 局部总线的应用 p c i 局部总线制订的主要目标是建立一种能够成为工业标准的、高性能的 体系结构，并且价格低廉，允许差异性。在现在的系统中，焦点集中在找到一 个新的价格一性能点。对于一个新的标准来说，适应未来系统的要求，并能够实 现跨越不同的体系结构和平台是至关重要的。 虽然局域总线的应用最初是在从低端到高端的桌面系统中，但p c i 局域总 线也考虑到了从移动应用到部门服务器的各方面要求。在新的协议中，不仅要 考虑到移动应用环境中的3 3 v 需求，还要考虑到桌面应用中5 v 到3 3 v 的过 渡。p c i 局域总线规范了这两种电压，还规范了它们之间的过渡路径。 图2 - 1p c i 总线的应用范围 p c i 部件和内插卡接口是独立于处理器的，从而能够有效的过渡到下一代 处理器中并能够应用在多处理器的体系结构中。由于独立于处理器，p c i 局域 总线为i o 功能的实现能够进行优化，能够使局部总线和处理器存储器子系统 进行并行操作，而且除了图像外还能够满足各种高性能外设( 例如，动态视频， l a n ，s c s i ，f d d i ，硬盘驱动器等) 的需要。如果要改善视频、多媒体( 如， h d t v 和3 d 动画) 等的表现，提高其他高带宽i o 的性能，就必须不断的增 加局域总线的带宽。协议对于从3 2 位到6 4 位的透明扩展也做了定义，将总线 天津大学硕士学位论文 带宽增加一倍，并提供对3 2 位和6 4 位p c i 局域总线外设的双向兼容功能。6 4 位的双向兼容也做了定义，比3 3 m h z 定义的带宽容量增加了一倍。 p c i 局域总线标准还为基于p c i 系统的用户提供了其他的好处。有专为p c i 部件和内插卡所指定的配置寄存器。带有内嵌式自动配置软件的系统在系统加 电时自动配置p c 内插卡，从而给系统用户带来了真正的方便。 2 1 2p c i 总线系统结构 图2 2 描述了典型的p c i 局域总线系统的体系结构。这里，处理器缓存器， 存储器子系统通过p c i 桥和p c i 总线相连。p c i 桥提供了一个低延时的通路， 通过它，处理器可以直接访问映射到存储器空间或i o 空间的p c i 设备。它还 提供了一条p c i 主控制器直接访问主存储器的快速通路。p c i 桥还可以根据不 同的情况，包括一些诸如数据缓存发送和p c i 中央处理( 如仲裁) 等功能，以 使c p u 与p c i 总线上的设各并行工作而不必相互等待。另外，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。总之，p c i 桥实现了p c 总线的 全部驱动控制。 图2 _ 2p c i 局部总线系统的体系结构 扩展总线桥( 标准总线接口) 的设置是为了能在p c i 总线上接出标准i ( 3 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 o 设备，以 增加p c i 总线的兼容性和选择范围。 即使不用扩展功能，典型的p c i 局域总线的实现也能够支持四个内插式p c i 插件。p c i 内插式插件连接器是微通道类型的连接器。同样的p c i 扩展板能够 用在i s a 、e i a s 和m c 系统中。p c i 扩展板通过插件座( e d g ec o n n e c t o r ) 及母板，和其他系统总线的连接器平行的排列在一起。为了能够快速而简便的 实现从5 v 到3 3 v 的转换，p c i 定义了两个插件连接器：一个用于5 v 的信号 环境，另一个用于3 3 v 。 协议定义了三种插件板卡的尺寸，系统不必支持所有的板卡类型。长板卡 包括i s a e i s a 扩展器以使他们在i s a e i s a 系统中使用i s a e i s a 插件导轨。 天津大学硕士学位论文 为了实现5 v 和3 3 v 的信号环境，并在两种电压之间建立平滑的迁移通路，协 议定义了3 种内插式板卡的电气类型：“5 v ”的板卡只能插到5 v 的连接器中， “通用”板卡可以插到5 v 和3 3 v 的连接器中，“3 3 v ”板卡只能插到3 3 v 的 连接器中。 2 2 信号与引脚功能 丛盔篮呈 r 地址与数据j 接口控制 j 出错报告 仲裁r ( 仅主控时) 1 系统 l ： 3 1 ：0 0 jj a d 8 3 ：3 2 j ： ：c b e l 3 ：0 j # 二：c b el 7 ：4 j # p a r p a r 6 4 二 r e q 6 4 # 二 f r a m e # 二a c k m # ： 1 t r d y # 一 1 i r d y # 一 一 l 0 c k # 一 ： s t o p # 二 i n t a # = d e v s e l #二 p c i 设备i l 盯b # 7 二 i d s e l 二 i n t c # 7 p e r r # 。 i n t d # r r 一 s e r r # =t d i 一 r e q # t d o t c k 7 一 g n r # 一tms c l k 二t r s t # r s t # 一 图2 - 3p c i 引脚信号 2 2 1信号类型定义 豆选篮呈 6 4 位扩展 p c i 总线规范定义了5 种类型的信号，分别为： 标准单向输入信号。 标准单向输出信号。 三态双向输入，输出信号。 持续且低电平有效的三态信号。这种信号在任意时刻只能属于一个主控 设备并被其驱动。将此类信号从有效变为浮空状态( 高阻) 之前，必须 将此信号驱动为高电平并维持至少个p c i 时钟周期。另一个主控设备 要想驱动此类信号，必须要等到该信号的原有驱动者将其释放( 变为高 阻) 一个p c i 时钟周期后才能开始。如果此类信号处于持续的非驱动状 态时，在有新的主控设备驱动它之前应采取上拉措施，并且该措施必须 制 者工 口 断 接 中 蚯th 天津大学硕士学位论文 由中央资源提供。 漏极开路信号，这类信号能够以“线或”方式实现多个设备对信号线的 共享。 这些信号的输入输出方向对于主控设备和目标设备是相同的。但是对于总 线仲裁器等中央资源，r e q 撑( 总线请求) 总是输入信号，g n t # ( 总线授予) 总是输出信号。 2 2 2引脚功能分组 p c i 引脚定义如图2 - 3 所示，按功能将其分组为系统引脚、地址数据引脚、 接口控制引脚、错误报告引脚、仲裁管理引脚、中断引脚和边界扫描测试( j t a g ) 引脚。以下介绍一些主要的p c i 信号。后面加“# ”号的信号为低电平有效， 否则为高电平有效。 1 系统信号 c l k 输入信号p c i 时钟。用于所有p c i 设备同步，系统中所有信号都 以它为基准，该信号的频率也称为总线的工作频率。在p c i 所有信号中，除 r s t # 、i n t a 群i n t d # 外，其他信号都是在时钟信号的上升沿有效，所有时间 参数的定义也部是基于时钟信号的上升沿。p c i 的最高工作频率是3 3 m h z 或 6 6 m h z ，最低频率是直流( o h z ) 。 r s t # 输入信号系统复位。该信号用于复位总线上的接口逻辑或设置 p c i 相关寄存器和有关信号到指定的状态，低电平有效。r s t # 有效时，p c i 总 线的所有输出信号都处于高阻状态。复位信号的有效或无效可以和c l k 信号异 步。 2 地址和数据信号 a d 3 1 ：0 0 1 三态信号地址、数据信号复用。一个p c i 传输包括一个地址 传送节拍和一个或多个数据传送节拍。p c i 支持突发读写。当f r a m e # 有效时 为地址节拍，a d 3 1 ：o o 传送3 2 位物理地址：f r a m e # 无效时，传送数据信 号，a d 7 ：0 1 包含最低有效字节数据( l s b ) ，a d 3 l ：2 4 包含最高有效字节 数据( m s b ) 。在i r d y # 和t r d y # 都有效的时钟沿，a d 3 1 ：0 0 1 上的数据被传 送。 c 1 3 e 3 ：0 1 三态信号总线命令和字节使能复用。在地址节拍，c b e 3 ：0 # 传送总线命令；在数据节拍，c b e 3 ：0 # 传送字节使能信号，它在整个数据节 拍中都有效，用来表示a d 3 1 ：0 1 的4 个字节中哪些字节是有效的。该信号中的 4 位对应3 2 位中的4 个字节，c b e o # 对应字节0 ( l s b ) ；c b e 3 # 对应字节 3 ( m s b ) 。 p a r三态 奇偶校验信号。用于对a d 31 ：0 0 1 和c b e 3 ：0 # 信号做奇 偶校验，以保证数据的有效性。每个地址节拍后一个时钟，p a r 稳定有效。对 于数据节拍，如果是写操作，在i r d y # 有效后一个时钟；如果是读操作，在 t r d y # 有效后一个时钟。一旦p a r 有效，它将保持到当前数据节拍结束后一 个时钟。总线主控设备在地址和写数据节拍驱动p a r ；目标设备在地址和读数 据节拍驱动p a r 。 3 接口控制信号 o 天津人学硕士学位论文 f r a m e # 持续三态信号由当前总线主控设备驱动，表示个总线周期 的开始和结束。信号有效时，表示开始总线传输。只要该信号有效，总线传输 就一直进行着。当该信号无效时，表示总线传输事务进入最后一个数据节拍， 或表示该事务已经结束。 i r d y # 持续三态信号表示主控设备就绪，即总线主控设备为完成传 输事务中当前数据节拍已经做好了准备。i r d y # 一般和t r d y # - - 起使用。当 i r d y # 和t r d y # 有效时，数据被传送，当前数据节拍完成。在写操作中，i r d y # 表示a d 3 l ：0 0 】上已经准备好了有效数据；在读操作中，它表示主控设备已经 准备好接收数据。如果i r d y # 和t r d y # 没有同时有效，则当前时钟周期为等 待周期。 t r d y # 持续三态信号表示目标设备就绪。即总线目标设备为完成传 输事务中当前数据节拍已经做好了准备。t r d y 捍一般和i r d y # - - 起使用。当 t r d y # 和i r d y # 有效时，数据被传送，数据节拍完成。在读操作中，t r d y # 表示a d 3 1 ：o o 】上已经准备好了有效数据；在写操作中，它表示目标设备已经 准备好接收数据。如果i r d y # 和t r d y # 没有同时有效，则当前时钟周期为等 待周期。 l o c k # 持续三态信号使桥把要完成的多个传输事务当作一个元操作 来处理。加锁的传输事务可以由主控桥、p c i t o p c i 桥、扩展总线桥等产生。 i d s e l # 输入信号初始设备选择。在配置空间操作期间被用作片选。 d e v s e l # 持续三态信号由目标设备驱动，用作设备选择。当该信号有 效时( 输出) ，表示所译码的地址是在设备的地址范围内；当作为输入信号时， 表示总线上是否有设备被选中。 4 仲裁信号 仲裁信号仅用于总线主控设备。 r e q # 三态信号总线请求，由希望成为总线主控的设备驱动。它是一个 点对点信号，并且每一个主控设备都有自己的r e q # ，当r s t # 有效时，r e q # 必须保持为第三态( 高阻) 。 g n t # 三态信号允许总线请求，当该信号有效时表示总线请求被允许。 这也是一个点对点信号，每个总线主控设备都有自己的o n t # ，当r s t # 有效时， 该信号被忽略。 5 。错误报告信号 p e r r # 持续三态信号当该信号有效，表示总线数据错，一个主控设 备在完成数据传送节拍后，根据传送结果驱动p e r r # 信号。当发现奇偶校验错 时，主控设备重新接收数据。该引脚用于反馈除特殊周期外的其他传送过程中 的数据奇偶校验错误。接收数据的设备在检测到数据奇偶错后的两个时钟周期 后，驱动p e r r # 有效。在每个被检测出有数据奇偶错误的数据传送节拍， p e r r # 至少持续一个时钟周期。和所有持续三态信号样，在被释放到第三态 之前，p e r r # 必须驱动到高电平并维持一个时钟周期。 s e r r # 漏极开路信号该信号用于报告地址奇偶错、数据奇偶错、命 令错等。如果主控设备不需要非屏蔽中断产生，则需要其他不同的机制。主控 设备驱动s e r 黜有效，并保持一个p c i 时钟，以报告错误。s e r r # 与时钟同步， 并适应所有总线信号的启动和保持时间。中央资源( 不是主控设备) 提供微弱 天津大学硕士学位论文 的上拉信号使s e r r # 恢复无效。这个上拉信号需要持续3 个时钟周期。当s e r r # 有效时，主控设备也要相类似的向操作系统报告s e r r # 。 6 中断请求信号 p c i 为每一个单功能设备定义一根中断线。对于多功能设备，最多可有4 条中断线。对于单功能设备，只能使用i n t a # ，其余三条无意义。 i n t a # 、i n t b # 、i n t c # 、i n t d # 漏极开路信号用于中断请求。 多功能设备上的任何一种功能都连到任何一条中断线上。p c i 接口中的中 断引脚寄存器决定一个功能是用那一条中断线请求中断。如果个设备只用了 一条中断线，则这条中断线就被称为i n t a # ，如果该设备用了两条中断线，那 么它们就被称为i n l a 撑和i n t b # ，依此类推。对于多功能设备，所有功能可以 使用一条中断线，也可以为每种功能单独分配中断请求线( 最多4 种功能) ，还 可以是上述两种情况的综合。一个单功能设备不能用条以上的中断线。 7 其他引脚信号 此外，p c i 协议还定义了一些附加信号，用于全局控制或者总线扩展。这 些信号通常都是可选的，包括： 附加信号：p r s n t 1 ：2 】撑、c l k r u n # 、m 6 6 e n 、p m e 撑、3 3 v a u x ； 6 4 位扩展信号：a d 6 3 ：3 2 】、c b e 7 ：4 # 、r e q 6 4 # 、a c k 6 4 # 、p a r 6 4 ： j t a g 边界扫描信号：t c k 、t d i 、t d o 、t m s 、t r s t # 。 2 3 总线命令与传输协议 2 3 1总线命令 总线命令由主控设备发向目标设备，说明当前事务类型，总线命令在地址 节拍呈现在c b e 3 ：0 # 上并被译码。 p c i 总线命令及说明如下表所示，其中： 表2 - 1p c i 总线命令代码 c 1 3 e 1 3 ：0 1 #命令类型 0 0 0 0 中断应答 0 0 0 1 特殊周期 0 0 1 0i ，o 读 0 0 1 1 i o 写 0 1 1 0 存储器读 0 1 1 1 存储器写 1 0 1 0配置读 1 0 1 1配置写 1 1 0 0 存储器重复读 1 1 0 1双地址周期 1 1 1 0 存储器单行读 1 1 1 1 存储器写并使无效 其他保留 天津大学硕士学位论文 中断响应命令是一个读命令，它对中断控制器的寻址采用隐含方式。这个 地址是逻辑地址，并不出现在地址节拍中的地址位上，回送的中断向量的长度 由字节使能信号表示。 特殊周期命令为p c i 提供了一个简单的广播机制。特殊周期命令不包含目 标地址，它以广播方式发给所有的设备，每个接