（信号与信息处理专业论文）基于si13124的磁盘阵列管理的研究.pdf

哈尔滨1 j 程火学硕十学位论文 摘要 在水声信号采集中常常要用到多通道数据采集，高速持续的存储是其主 要特点。基于总线的数据采集与存储系统，由于可靠且易于实现、经济等优 点，得到了广泛的应用。但当数据传输率很高时，保持高速数据存储过程的 可靠性、实时性将会成为一个比较棘手的问题。本文就是在考虑速度、容量 和价格等因素而设计的多通道高速数据采集系统的硬件平台上进行底层软件 的开发。 本文以原有硬件平台为基础，研究和设计了多通道高速存储系统的底层 软件部分。研究了p c i x 总线协议、a t a 协议、硬件平台。主要编写了p c i x 控制器程序、i d e 控制器程序、a r m 测试程序；实现了6 4 位数据在1 3 3 m h z 总线频率下的稳定传输：实现了对s i l 3 1 2 4 的配置和应用；实现了数据回放 时在p c 机识别出大容量存储设备信息。 经过测试表明，系统可稳定工作，方案可行。由于s i l 3 1 2 4 和f p g a 具 有很高的灵活性，系统可方便的进行扩展升级。 关键词：存储系统；f p g a ；p c i x ；i d e ：a t a 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 a b s t r a c t m u l t i c h a n n e ld a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi s a l w a y su s e di nu n d e r w a t e ra c o u s t i c s i g n a ls a m p l i n g a n di t sm a i nf e a t u r ei ss a v i n gd a t ai nah i g hs p e e da n d c o n t i n u o u s l y t h ed a t aa c q u i s i t i o na n ds t o r a g es y s t e mb a s e do nb u st e c h n o l o g yi s u s e dw i d e l yf o ri t sr e l i a b i l i t y , p r i c e ，e a s ym a k i n ga n do t h e rm e r i t b u tw h e nt h e s p e e do fd a t at r a n s f e ri sv e r yh i g h ，t ok e e pr e l i a b l ea n dr e a lt i m ei nah i g hs p e e d d a t aa c q u i s i t i o np r o c e s sw i l lb eav e r yd i f f i c u l tp r o b l e m t h i st h e s i si st od e s i g na l o wl a y e rs o f t w a r e ，w h i c hi sb a s e do nam u l t i - c h a n n e ld a t as t o r a g eh a r d w a r e s y s t e m ，c o n s i d e r i n gs p e e d ，c a p a c i t ya n dp r i c e t h et h e s i sr e s e a r c ha n d d e s i g n al o wl a y e rs o f t w a r eb a s eo nt h e m u l t i c h a n n e ld a t aa c q u i s i t i o nh a r d w a r es y s t e m i ts t u d i e sp c i xp r o t o c o l ，a t a p r o t o c o l ，h a r d w a r es y s t e m i nt h ed e s i g n ，t h e r ea r ep c i - x c o n t r o l l e rp r o g r a m ，i d e c o n t r o l l e rp r o g r a m ，a r mt e s t i n gp r o g r a m s n o ww ec a nm a k e6 4b i td a t at r a n s f e r s t a b l ya t13 3 m h zo nt h ep c i - xb u s ，c o n f i g u r ea n dd e v e l o ps i l 312 4f r e e l y , a n d m a k ep cr e c o g n i z em a s ss t o r a g ed e v i c ew h e ns a v i n gd a t ab a c k i ti sp r o v e dt h a tt h es y s t e mc a nw o r ks t a b l ya n dt h ep r o p o s a li sf e a s i b l e a s s i l 312 4a n df p g ah a v i n gv e r yh i g hf l e x i b i l i t y , t h es y s t e mc a nb ee x p a n do r u p g r a d ev e r ye a s i l y k e yw o r d s ：s t o r a g es y s t e m ；s i l 31 2 4 ；f p g a ；p c i x ；i d e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。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譬 作者( 签字) ：力诜 日期：卅年v 月订扫 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 口在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：钴茬 - , - 9 _ ! j i t i ( 签字) ：芬铆渤 日期：w 岬年月访日m 旧1 年少月碉日 哈尔滨t 程大学硕十学付论文 第1 章绪论 1 1 论文背景 在水声信号采集中常常要用到多通道数据采集，高速持续的存储是其主 要特点。基于总线的数据采集与存储系统，由于可靠且易于实现、经济等优 点，得到了广泛的应用i l l 。【4 1 。但当数据传输率很高时，保持高速数据存储过 程的可靠性、实时性将会成为一个比较棘手的问题【5 1 。这其中其实包含两个 方面总线技术问题和存储方案问题。目前在总线技术方面一些厂商提供了双 总线技术、6 4 b i t 6 6 m h z p c i 总线系统来解决这问趔6 1 。在存储方案方面采用 高速存储器、s c s i 磁盘阵列等。但由于这些总线技术都是基于p c i 总线的， 受p c i 总线协议规范的限制，其总线带宽很难再向上突破。而高速存储器和 s c s i 磁盘阵列虽然速度快但价格也一直居高不下。因此，应用什么样的总线 技术来获得总线带宽上的提高，应用什么样的低价的、高速的存储方案来实 现高速持续的数据存储，是一个亟待解决的问题。而这也正是本文将要讨论 的问题。 1 21 0 总线的发展 系统总线包括处理器总线和i o 总线。处理器经过1 0 总线对外设进行访 问。i o 总线的发展历程粗略的可以划分成三代。 第一代i o 总线包括i s a 、e i s a 、m c 和v e s a 。i s a 总线的数据宽度为 1 6 位，数据传输速率约为5 m b p s ，1 9 8 4 年随i b m 的p c a t 结构微机一起推 出，故也成为a t 总线，当时系统存储器和系统外设都挂在此总线上，还没 有冠以i o 总线的称谓。e i s a 总线名为增强的i s a 总线，1 9 8 9 年在i s a 总线 的基础上推出，仍沿袭p c a t 结构，数据总线宽度和地址总线宽度均扩展为 3 2 位，数据传输速率约为3 3 m b p s 。m c 总线是随i b m 的p s 2 系列的微机推 出的m c a 微通道结构总线，总线性能与e i s a 相当。v e s a 总线1 9 9 2 年由视频电子标准协会推出，数据和地址总线是p c 微机的第一个局部总线， 连到处理器子系统的局部总线上，在基于v e s a 总线的机器中也可以存在 i s a 或e i s a 这样的传统总线，它们位置在v e s a 之后，是v e s a 总线在经 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 过i o 总线控制器转换后得到的，称谓i o 扩展总线。第一代i o 总线有个共 同的特点，其信号的功能和时序与处理器引脚关系密切，几乎是处理器信号 的延伸和扩展，有些信号还与主板上的硬件资源有关【7 1 。 第二代i o 总线包括p c i 、a g p 和p c i x 。p c i 总线是一个标准的、与处 理器无关的局部外围总线，不受制于系统所使用的处理器的种类，通用性更 强。p c i 将多级总线结构引入个人计算机，不同总线之间通过相应的桥芯片 来转接。p c i 总线的数据和地址线宽3 2 位，数据线可扩展为6 4 位，1 9 9 2 年 和1 9 9 3 年推出的p c i l 0 和p c i 2 0 为3 3 m h z ，数据传输率为1 3 3 m b p s ，1 9 9 5 年推出的p c i 2 1 总线时钟频率达6 6 m h z ，数据传输速率达到2 6 6 m b p s 。基 于p c i 的计算机中，主存储器设备挂在主桥上，p c i 总线专用于外设的互连， 开始称之为i o 总线p j 。a g p 名为加速的图形端e l ，是主桥上独用于挂接显 示设备的总线。其将p c i 总线从图形数据传输中解放出来，使得图形显卡和 p c i 总线上的设备都能获得充足的带宽。当市场上出现了要求更高带宽的i o 设备时，传统的p c i 总线无论从总线时钟频率还是总线使用率都显得低了， 于是1 9 9 9 年出现了p c i x 总线。在技术上，p c i x 并没有脱离p c 体系，它 仍使用6 4 位并行总线和共享架构，但将工作频率提升到1 3 3 m h z ，由此获得 高达1 0 6 g b p s 的总带宽。如果四组设备并行工作，每组设备可用带宽为 2 6 6 m b p s ；如果只有两组设备并行，那么每组设备就可分得5 3 3 m b p s ；而在 连接一组设备的情况下，该设备便可以独自使用到全部的1 0 6 g b p s 带宽。相 对于6 4 位p c i 总线，p c i x 的提升相当明显。不过，p c i - x 带来的变化不仅 如此，它在总线的传输协议方面有许多重要的改良。p c i - x 的另一个重要优 点在于，它可以完全兼容之前的6 4 位p c i 扩展设备，用户已有投资可以获得 充分保障。平滑过渡的方式让p c i x 在服务器工作站领域大获成功，并很快 取代6 4 位p c i 成为新的标准【9 1 。基于p c i 基础改良的性质让它不可能彻底解 决带宽不足的问题。2 0 0 2 年7 月，p c i s i g 推出更快的p c i x 2 o 规范，它包 含较低速的p c i x 2 6 6 及高速的p c i x 5 3 3 两套标准，分别针对不同的应用。 同样，p c i x 2 0 并没有对总线架构做什么大改动，而只是将工作频率分别提 升到2 6 6 m h z 和5 3 3 m h z ，以此获得更高的传输效能。p c i - x 2 6 6 标准可提供 2 1 g b p s 共享带宽，p c i x5 3 3 标准则更是达到4 2 g b p s 的高水平。这两者最 多都可以支持8 组设备，扩展力相当强大；如果系统只安装4 组设备，那么 2 哈尔滨t 程大学硕十学 奇= 论文 最高级的p c i x 5 3 3 标准允许每个设备获得超过1 g b p s 的总线带宽，这完全 可满足多路千兆以太网、光纤通道、s a sr a i d 系统的需求。此外，p c i x 2 0 也保持良好的兼容性，它的接口与p c i x 1 0 完全相同，可无缝兼容之前所有 的p c i x 1 0 设备和p c i 扩展设备。很自然，p c i x 2 0 成功进入服务器市场并 大获成功，直到现在它仍然在服务器市场占据主流地位【1 0 】。 p c i e x p r e s s 是第三代高性能1 0 总线，在总线结构上采取根本性的变革， 主要体现在两个方面：一是由并行总线变为串行总线；二是采用点到点的互 连。p c i e x p r e s s1 0 支持每条通路在每个方向上的数据传输速率达2 0 g b p s ， 每个字节l o 位编码，这样两个方向的带宽可达o 5 g b p s ，整个链路的总带宽 等于0 5 g b p s 乘以所含的通道数。每条链路的通路数可根据具体设备所需的 带宽剪裁，有效通路数有7 种可选，这样最高传输速率可达1 6 g b p s ，大大高 于目前任何一种总线，可满足当前及将来一段时间的高速设备带宽需求。由 于总线变为链路，引脚数大大减少，没引脚的平均带宽大幅提升，有助于 p c i e x p r e s s 成本的降低】。 1 3a t a 协议的发展 a t a 技术是一个关于i d e ( i n t e g r a t e dd r i v ee l e c t r o n i c s ) 的技术规范族。 最初，i d e 只是一项企图把控制器与盘体集成在一起为主要意图的硬盘接口 技术。它对厂家和用户有直接的好处，它使硬盘制造起来变得更容易，因为 磁盘控制器内置，厂商不需要再担心自己的硬盘是否与其它厂商生产的控制 器兼容；而对用户而言，硬盘安装起来也更为方便，安装时不再需要磁盘控 制器接1 2 1 卡，只需要一根电缆。后来的实践表明，这种技术由于减少了硬盘 接e l 的电缆数目与长度，数据传输的可靠性和速度得到了提高。正是基于它 所具有的诸多优点与好处，当前个人电脑上使用的硬盘中，绝大多数都是 i d e 兼容的【12 1 。 随着i d e e i d e 得到的日益广泛的应用，全球标准化协议将该接口自诞 生以来使用的技术规范归纳成为全球硬盘标准，这样就产生了a t a ( a d v a n c e d t e c h n o l o g ya t t a c h m e n t ) 。硬盘接1 2 1 发展在并行a t a 的发展，从a t a l 一直 发展到了a t a 6 标准。在最早的a t a 1 中一共规定了3 种p i o 模式和4 种 d m a 模式( d m a 并没有得到实际应用) ，速度最高不超过8 3m b y t e s ；a t a - 2 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 是对a t a 1 的扩展，它增加了2 种p i o 和2 种d m a 模式，把最高传输率提 高到了1 6 7 m b s ，实际上，它就是对西部数据公司制定的e i d e 接口规范化。 而后的a t a 标准不断升级，推出了广为人知的u l t r ad m a3 3 、u l t r ad m a 6 6 ， 这两种接1 5 1 分别被划为a t a 3 、a t a 4 规范中，其中a r a 3 支持的最高传 输率为3 3 m b s 。也正是从御队3 ( u l t r ad m a3 3 ) 起，p c 才开始广泛地真 正使用d m a 来进行硬盘数据传输。而a t a 4 是从2 0 0 1 年开始，成为p c 机硬盘的主流接口类型，和a t a 3 相比，将系统支持的最高传输率提高了一 倍。现在市场上主流硬盘接口使用的u l t r ad m a1 0 0 ，属于a t a 5 规范，顾 名思义，它支持的最高传输率为1 0 0 m b s ，将硬盘带宽进一步拓宽至 l o o m b s 。最近迈拓公司推出的a t a 1 3 3 接口类型如果正式被列为标准则将 会是属于a 队一6 规范，它支持的最高数据传输率为1 3 3 m b s 。以上给出的接 口均属于并行a t a 接口，并且都是双向兼容。即新版本的a t a 接口可以和 旧版本的a t a 接口产品兼容，例如在u l t r a d m a1 0 0 接口上也可以使用u l t r a d m a6 6 或者u l t r ad m a3 3 的硬盘，当然这时系统的实际性能将取决于系统 中较低的一方【l 引。 1 4 论文的研究内容 本文的方案是通过p c i x 总线技术与s a t a 磁盘阵列相结合的方式来解 决上面的两个问题【l3 1 。总线技术方面，p c i x 1 0 协议的总线频率是 1 3 3 m h z ( 目前p c i x 2 0 协议的最大的总线频率可以达到5 3 3 m h z ) ，同时数据 传输的最大总线宽度可以是6 4 位总线宽度，这样带宽可以到1 g b s 1 1 4 1 甚至更 大。因此应用p c i x 总线技术可以解决总线带宽对高速数据采集存储的约束 问题。另一方面，数据采集的时间取决于存储器容量的大小，尤其在高速采 集系统中这点尤其重要。以往的存储卡形式的存储器一般只能持续零点几秒 到几十秒的时间。因此，根本不能满足高速存储的要求；而存储器容量的增 加，其价格也会成倍的增长。因此从存储容量、读写速度和单位成本等方面 的综合考虑，采用高速硬盘作为存储介质比较合适。但是磁盘的实时内部存 储速度方面还是一个瓶颈，它直接制约了采集系统实时存储的能力。因此考 虑采用多块磁盘组成磁盘阵列的形式来解决这个问题。而就目前来讲市面上 s a t a 磁盘有接1 2 1 速度快容量大而且价格适中的优势。因此选则性价比高的 4 哈尔滨1 二程人学硕士学位论文 s a t a 磁盘来构成磁盘阵列来满足高速、高容量的数据存储需求。而为了简 化系统的复杂度，本方案采用通过s i l 3 1 2 4 磁盘阵列控制芯片对s k i n 磁盘阵 列进行管理5 im i 。通过它可以方便的管理s a t a 磁盘阵列使组阵方案更具灵 活性。系统基本框图如下： 3 l l j 二= 一，i ! 一，! 芷，s = 一 i 竺l ! 竺_ 【l 竺l s = j 图1 1 系统基本框图 叮见，本方案在兼顾性能和成本的基础上满足了高速数据采集的存储系 统的需求，具有较大的实用价值。 本文是基于已有的硬件平台实现数据的传输的。硬件件平台主要由 f p g a 、a r m 、磁盘阵列控制芯片s i l 3 1 2 4 等部分组成。具体如下图所示： h 一 口 ， l 一 图12 硬件平台m i f p g a 是系统数据传输的核心节点。其主要是实现处理器、i d e 接 j 、 哈尔滨t 程入学硕十学 ： 7 ：论文 采集器和s a t a 硬盘接口控制器之间的逻辑接口转换，构成p c i x 主桥，i d e 接口控制器，对数据的缓冲打包拆包等。架起数据传输的桥梁，实现数据的 存储与回放；平台选用了a l t e r a 公司c y c l o n ei i 系列型号为e p 2 c 2 0 f 4 8 4 t 1 8 】【2 0 】 的f p g a 作为本设计的核心f p g a 。a r m 处理器是系统的c p u 。系统的各 种控制命令的发起都是由它来完成的。其主要实现的是对磁盘阵列控制芯片 s i l 3 1 2 4 和磁盘阵列的控制，对磁盘阵列文件系统的管理。a t 9 1 r m 9 2 0 0 具有 功耗低、性价比高【z ，并且市场应用广泛，其灵活性、易用性、技术支持和 性能等诸方面都比较突出【2 2 1 ，因此平台选择了这款a t 9 1 r m 9 2 0 0 1 2 3 】作为系统 的c p u 。s i l 3 1 2 4 是s a t a 磁盘阵列控制芯片。它可以工作在p c i x 总线模 式下并且可以通过它很方便的管理磁盘阵列，是实现高速存储的关键。在数 据回放方面，系统通过u s b 接口芯片把u s b 接口转换成i d e 接口与f p g a 相连。通过u s b 接口以移动硬盘的方式与p c 机相连，实现数据的回放。提 高了系统的可用性和易用性。 论文的研究内容主要包括以下几个部分： 1 f p g a 在实现p c i x 总线协议方面的应用和v h d l 代码的编写。完善 f p g a 内部对s a t a 接口控制器管理的p c i x 主桥内部时序。实现6 4 位数据 在1 3 3 m h z 频率的p c i x 总线上稳定的传输。f p g a 内部有着丰富的资源， 它有着极大的灵活性。应用f p g a 在其内部实现p c i x 协议，可大大提高系 统的灵活性及便携性，脱离p c 独立工作使用。从而使系统更具实用价值。 2 f p g a 与采集器接口逻辑的设计和v h d l 代码的编写。在高速数据采 集方面，f p g a 有着单片机和d s p 所无法比拟的优势。其内部有着高速的 r a m 块作为高速双口r a m 或高速f i f o 来进行数据缓冲。另外，p c i x 总 线也在f p g a 内部，这样的设计更提高了稳定性，更容易进行高速的数据存 储。 3 硬盘控制器的设计和a 1 队协议的实现。再数据采集完毕之后要对数据 进行处理或备份要求。因此，还需要存储系统与p c 机有相应的接口。本文 的设计是f p g a 内部模拟i d e 硬盘控制器通过u s b 接e l 芯片与p c 机进行方 便的连接：这样无论是进行数据处理还是备份都可以很方便的进行。 4 对s i l 3 1 2 4 磁盘阵列管理芯片的了解与使用。本文的解决方案中使用 s i l 3 1 2 4 作为磁盘阵列的管理芯片。s i l 3 1 2 4 是s i l i c o n 公司生产的一款四端口 6 哈尔滨”r 程大学硕十学位论文 的p c i 、p c i x 到s a t a 的硬盘控制器。它可以挂接到1 3 3 m h z ，6 4 b i t 总线 带宽的p c i x 总线上。它可以同时挂4 块s a t a 磁盘组成磁盘阵列，而且具 有硬件r a i d 功能。完全能够满足高速大容量存储的需求。但这款芯片的资 料不多所以需要对其进行进一步的了解。 5 a r m 测试程序的编写。a r m 在本文的解决方案里主要起到控制作用。 由于s i l 3 1 2 4 挂在p c i x 总线上，它属于一个总线上的设备。所以需要有c p u 对其进行配置，控制等操作。而在进行数据采集时，因为s i l 3 1 2 4 是挂在f p g a 内部的p c i - x 总线上的，所以其对外的一切数据交换都要由a r m 进行控制。 在数据回放时，p c 对i d e 硬盘的各种命令也要通过a r m 来转换成对s i l 31 2 4 的操作来执行。因此虽然a r m 测试程序只是用于测试底层软件的正确性， 但其对后期磁盘阵列文件系统的管理有很大的指导意义。 7 一一 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 第2 章p c i x 总线 2 1p c i x 总线信号定义 p c i x 总线是由p c i 总线发展来的，因此它的总线信号定义与p c i 总线 的信号定义差不多。按类别分包括地址数据信号、接口控制信号、错误报告 信号、仲裁信号、系统信号、中断信号、边界扫描信号和扩展信号等。下面 是p c i x 总线信号示意图【2 4 1 ： 龇 接嚣霉镧 信号 错误报告一 信号- l 必造信号可透信号 1 u l j l ：u l h 一7 潮聋；：3 删z 2 ，) c b e l 3 ：0 i 湃卜 p a r! 一- f r a m e # 二r e 0 6 4 #= r 二a c k 6 4 #= ：t r d y #二 二 i r d y # 二 一u ) c 瑚 二s t o p 二 p c i i 局部 一n f t a 帮 _ 二d e v s e l # 二 总线设备 二i n t b # 二 一 i d s e 埘 二二l n l 捧二 。 p e r 删 一 二l n t d 弗 二 二 s e r r # 二 t d ! r e q # 一 一 1 1 3 0 一 1 g n t # 二 - t c k 一 c l k # 二二t m s r s t s 二二1 1 毽t 牟 净 ) 中斯信号 ) 边器挈描 注：图中拌为低电平，否则为高电平。 图2 1p c i x 局部总线信号 2 2p c i x 总线命令 总线命令是主控设备控制总线选择以何种时序协议传输数据的命令编 码。下表同时列出了p c i 总线与p c i x 总线命令以便于比较： 表2 1p c i x 命令编码【2 5 1 c b e 【 字节 3 ：o 】群 或使能用 c b e 7 ：4 #传统p c i 命令 p c i x 命令长度 法 0 0 0 0 b中断响戍 中断响应双字 属性 8 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 0 0 0 1 b 特殊周期特殊周期双字属性 0 0 1 0 bi o 读 i o 读双字属性 0 0 l l bi o 写 i o 写双字属性 0 1 0 0 b 保留保留 n an a 0 1 0 l b 保留保留 n an a 0 1 1 0 b 存储器读存储器双字读双字属性 0 1 11 b 存储器写存储器写突发 d p 1 0 0 0 b 保留扩展存储器块读突发 n o n e 0 0 1 b 保留扩展存储器块写突发 n o n e 1 0 1 0 b 配置读配置读双字 属性 1 0 1 1 b 配置写配置写双字 属性 1 1 0 0 b 存储器区间读拆分执行 突发n o n e 1 1 0 l b 双地址周期双地址周期 n an a 1 11 0 b 存储器区段读存储器块读突发 n o d e 1 l11 b存储器写及无效存储器块写突发 n o n e 注：表3 1 中在长度栏中“双字”指的是双字节传输。“突发”指的是突发传 输。n a 是不可用。 n o n e ”指的是从开始到结束包含的所有的地址都是受影 响的。 1 中断应答命令 中断应答命令是一个读命令，并且对中断控制器的寻址采用隐含方式， 也就是说，该地址是逻辑地址而不明显地出现于地址段，回送的终端矢量长 度由字节使能信号来表示。在地址段中，尽管a d 3 1 ：0 】中不含有效地址，但 必须将它们驱动到稳定的状态。在中断应答过程中，p a r 信号是有效的，而 且被用来进行奇偶校验。对中断应答命令的响应只能是个设备，并且响应 的设备必须发出相应的d e v s e l # 信号。同时在t r d y # 信号有效时必须返回 中断向量。另外，中断应答周期与其他周期一样可插入等待周期。 2 特殊周期命令 该命令的作用和p c i 协议下是一样的提供一个简单的信息广播机制。它 不但能报告处理机的状态，而且可用来作为p c i x 设备间逻辑的侧面连接信 9 哈尔溟：i ：稃人学硕十学位论文 号( 当这些信号不要求精确的时间关系或物理信号同步时) 。特殊周期命令不 包括目标地址，而是以广播的形式发给所有设备。每个接收设备必须自我确 定广播的消息是否合适于它。在特殊周期命令期，不允许p c i x 设备发出 d e v s e l # 信号。在特殊周期命令传输的时候是没有等待周期的。 3 i o 读命令和i o 写命令 i 0 读命令和i 0 写命令用来访问设备映射到i 0 空间的控制寄存器、状 态寄存器、数据寄存器。假如在p c i 总线中，i o 读和i o 写命令被当作为突 发的方式进行i o 读和i o 写。那么单个i o 双子读或者写被看作为突发i o 读写传输的一种特殊方式。同理p c i x 协议中i 0 读和i 0 写也可以看作为 单个数据i 0 传输。通过总线c b e # 3 ：0 上的命令来区别是i o 读还是i o 写命令。 4 保留命令 该类编码是为将来的用途而保留的。p c i 的任何设备都不能将它们挪作 它用，任何设备也不允许对保留命令编码作出反应。如果接口中使用了一条 保留命令，通常要由主设备终止操作来结束本次访问。 5 储器双子读命令 该命令用来从一个映射到存储器地址空间的设备读取数据。通过总线 c b e 上的命令来判断是否是存储器双子读操作。 6 存储器写命令 该命令用来向一个映射到存储器空间的设备写入数据。当从设备发出准 备好信号后，它已经准备对所涉及的数据的一致性( 包括次序) 负责，因此， 对于该命令的实现可采用完全同步的方式，或采用其它方法。存储器写命令 是采用突发方式传输的。 主设备如果希望写一些字节到一个不全是本地的区域中，这个区域有起 始地址和字节传输计数器定义的。发起者可以利用字节使能在决定数据线上 哪个数据是有效的，哪个数据是无效的。 当使用整个命令的时候，发起者控制的字节计数器起始不是真正的字节 计数器，它只是定义了发起者要写的地址中的结束地址范围。在数据传输过 程中发起者通过字节使能来确定数据的有效性。 发起者在下列情况下使用寄存器写命令： l o 哈尔滨一r 程入学硕十学位论文 当发起者要写到一些i o 映射内存空间，但是这些内存空间的所有地址范 围没有全部写的时候。 当想随机更新在缓存中的本地内存的时候。 当p c i x p c i x 桥已经在原来的缓存中写好了数据，一个双字要按照地 址的顺序写到原来的缓存中，这是就可以利用存储器写命令来覆盖它。 7 配置读配置写命令 配置读写命令是用来访问配置功能寄存器的。配置读写命令是以双字节 的方式进行访问配置空间的。访问的时候当主设备是通过i d s e l 来选择要配 置的哪个从设备的配置寄存器。其他的时序和双字传输是一样的。 8 拆分传输 目标利用拆分传输来响应像下面描述的请求者： 请求者预请求读数据( i o 读或者配置读或者寄存器块读又或者是双字节 读) 拆分完成消息包括告诉设备预写成功或者设备、预读成功或者失败。 9 存储器块读命令 该命令是从地址相位中给出的起始地址开始读数据，读的个数是属性相 位给的要读的数据个数，在整个读数据期间c b e 总线上的字节使能是没有 用的，它是成保留状态并且驱动为高在整个数据传输的过程。 1 0 存储器块写命令 该命令是从地址相位中给出的起始地址开始写数据，写的个数是属性相 位给的要写的数据个数，在整个写数据期间c b e 总线上的字节使能是没有 用的，它是成保留状态并且驱动为高在整个数据传输的过程。 11 扩展存储器块读命令 该命令和存储器块读命令是一样的，只不过读的空间是扩展存储器。 l2 扩展存储器块写命令 该命令和存储器块写命令是一样的，只不过写的空问是扩展存储器。 2 3 地址和属性相位 p c i x 总线上的每一次传输都是以地址相位接着属性相位开始的。在地 址相位期间发起者在a d 总线上输出地址同时在c b e 上输出命令。同样属 性相位也是通过a d 和c b e 来传输的，在存储器6 4 位传输的过程中a d 和 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 ；i 宣i i ；i ；i ；i ；i i 暑；_ i i 一一m m 一_ 宣 c b e 总是被驱动为高电平。下面将分类具体介绍一下不同命令情况下地址和 属性相位的构成。 1 存储器突发传输地址和属性相位 使用存储器突发传输的命令有：存储器块读命令、存储器块写命令、存 储器写命令、扩展存储器块读、扩展存储器块写。图2 2 给出的是存储器突 发传输的地址相位格式其中c b e 给的是命令，即表3 1 中给的每个命令对应 的代码。a d 给出的是起始地址用来给出传输数据的首地址。图2 3 给出的是 存储器突发传输的属性相位格式，表2 2 中具体介绍属性相位中各个参数的 意义。 粤芒= 二= 二毫圣= = = 二= 二 图2 2 存储器突发传输的地址相位格式 i ：i ! i ! i 竺兰l! 兰兰兰竺三l垩至兰i 墨塞童i兰竺兰! 兰竺i 图2 - 3 存储器突发传输的属性相位格式 表2 2 突发域定义 属性功能 保留( r )请求者必须置为0 。 字节使能 在属性高4 位( c b e ) 双字传输含有该传输的字节使能。 无探测检 特殊周期传输、存储器写、存储器块写、扩展存储器块写、1 0 读、i o 写、 查( n s )配置读、配置写拆分完成传输此位必须设置成0 。 非严格顺当请求者设置了该位时，它的程序模块或设备驱动程序要保证特殊的存储 序( r o )器写或读传输不须保持严格的顺序。 在每次传输的时候主控给每个序列分宜唯一一个标签。5 比特位最大序列 标签 号可以达到3 2 请求者请求者使用的总线号对于主桥来说其总线号是0 总线号请求者的总线号、请求者设备号、请求者功能号的组合称为请求者l d 。 请求者对丁源桥的设备号始终是o o h 。 1 2 设备号 请求者的总线号、请求者设备号、请求者功能号的组合称为请求者i d 。 请求者 指的是配置寄存器中的功能号。 功能号 请求者的总线号、请求者设备号、请求者功能号的组合称为请求者i d 。 高位字节 该1 2 比特域分为c b e 【3 ：0 】搏中的高位字节计数和a d 【7 ：0 】中的低位字节 计数低位 计数。它给出了主控( 请求者或桥) 要传输该序列剩余的字节数量。当为 字节计数 “0 0 0 ”的时候则传输大小为4 0 9 6 b y t e ，当为“0 0 1 的时候则传输字节为1 2 双手传输地址和属性相位 使用双字传输的传输方式有：双字读，双字写操作。图2 4 给出的是双 字传输的地址相位格式其中c b e 给的是命令即表2 1 中给出的是地址和属性 相位中各个参数的意义。a d 给出的是起始地址用来给出传输数据的首地址。 图2 5 给出双字传输的属性相位格式。表2 3 给出的是属性相位域中对应参数 定义。 图2 4 双字传输的地址相位格式 图2 5 双字传输的属性相位格式 表2 3 双字传输属性域定义 属性功能 保留( r )请求者必须置为0 。 字节使能 在属性高4 位( c b e 【3 ：0 】撑) 双字传输含有该传输的字节使能。 无探测检 在i o 读或i o 写的时候必须把它设置成为0 ，存储器双字读的时候具体的 查( n s )使削情况要参考p c i x 1 0 协议。 非严格顺在l o 读或l o 写的时候必须把它设置成为0 ，存储器双字读的时候具体的 序( r o ) 使j h ；| 情况要参考p c i ，x 1 0 协议。 标签 请求者传输号 哈尔滨j r 程大学硕十学位论文 请求者 请求者使用的总线号对于主桥来说其总线号是0 总线号 请求者的总线号、请求者设备号、请求者功能号的组合称为请求者l d 。 请求者 对- 丁源桥的设备号始终是o o h 。 设备号请求者的总线号、请求者设备号、请求者功能号的组合称为请求者i d 。 请求者指的是配置寄存器中的功能号。请求者的总线号、请求者设备号、请求者 功能号功能号的组合称为请求者i d 。 高位字节 该1 2 比特域分为c b e 3 ：0 # t p 的高位字节计数和a d 【7 ：0 】中的低位字节 计数低位计数。它给出了主控( 请求者或桥) 要传输该序列剩余的字节数量。 字节计数 2 4p c i x 主要时序 p c i x 总线协议中，主要时序有突发传输、双字传输和分割事务传输等。 因为本设计中总线上只有一个设备占用总线，所以用不到分割事务传输。下 面就设计中应用的时序做一下简单的介绍。 2 4 1 突发( b u r s t ) 传输时序 存储器块读命令、存储器块写命令、存储器写命令、拆分传输、扩展存 储器读命令、扩展存储器写命令都要都是通过b u s t 传输来完成的。 突发传输协议在每个数据相位传输数据，直到满足b y t ec o u n t 的最大值。 它的属性相位中包含了序列所剩的b y t ec o u n t 值。突发传输可以是3 2 位的也 可以是6 4 位的。 突发传输应用全地址来表示每次传输开始的首地址，并且对开始地址没 有要求。在任何地址都可以开始突发传输协议。主设备提前给出两个时钟 f r a m e 无效信号来通知从设备，此次数据传输还有最后两个数据相位，然 后数据传输则结束。突发写传输如图所示： 雌嵋a ， hh hh ； r 洲翻 i 、- 毒l 毒 善毒j 一 毒i 柚 i 一 理宇坦李勉孝魍字楚字理字您事埋粤 审 自巴争窖，一 一 三i i i i ) y p i d 4 l m i l l l t 霪霎幕罩需巨睡 ； 。r 一，：；= 多。f 。：一、e ；茜琶至i墓；量：兰；至i _ - 一一一- 偶州；一 一移一一 、l i i il ；i i ；il ；厂 一一 一 i 一 一：；j 一 、i 茎：室壅! i 茎i 至羔! j 厂一_ 一一- ；i 一一 了专f - 一卜j 百i t 寸 i； 7 = i ；d 。o ( 1 l ；t ；it 盖恐；i ； il ： ：l ： ；：t 伪n m ：一：j： ； ! ；$ 一d 一i j ；j；tj；i； i i ； ；ilih ? 絮黜怒；l ； ； ；i!； j ； !12 e i * b l o n i m ：, i ii； iii：ii !；e 对t n 缸i ；i；! 图2 6 突发写传输时序 突发读传输和突发写传输时序相近。只不过突发写传输时序中在数据相 位时c b e 上出现的是数据使能位：而突发读传输时序中在数据相位时c b e 上始终是全高。具体时序如下图所示： !车毒4 譬e7 ，?叩t 29， ： ： p _ ? r 、_ f 一p 弋? 、善广l nn n n i ；jjj! p a 茸城；i；j；： ；一一f 、；i；i： ；厂f r ，= = ：，、i ：ol ： ! 一j 一；i； - 。口 驯摩罾p i掌草， ：o ：i ：i ：日： 。气= 、奢：泰枣；i ：；t枣， r p 。弋 喜i鬃摹圣： 垂誊， ：d a 一 t ； ：e u ： j t l n _ m 1 -； ，一一：一： ib t i 州铆g n ：1 n- 雠i n i t 堪i ； ：1 | r m j h t t i “ 图2 7 突发读传输时序 2 4 2 双字( d w o r d ) 传输时序 d w o r d 传输主要是用来传输双字节操作的，它每次传输的只有一个周 期的数据相位。d w o r d 的译码方式和突发传输的译码方式是一样的。图2 8 是一个没有插入等待周期双字写操作。双字读和双字写操作的时序区别和突 发读写也是一样的，有一个周期的转换周期，在交换总线驱动权利，在从设 备使用完总线后，同样要交出总线的占有权。d w o r d 传输和突发传输的区 别在于d o w r d 传输的f r a m e ，i r d y 信号是在t i m y 无效后一个时钟才 哈尔滨1 j 程人学硕十学位论文 无效a 因为d w o r d 传输传输的数据仅仅只有一个时钟周期，设备在识别是 d w o r d 传输后，会自动t r d y 有效一个时钟并且在这时给出数据，就不需 要判断是否是传输结束了。 1234 5678 91 0 1j! !jjj 吲一c l knnn 八八八八八八j a d 3 1 ：0 0 ；一一_ 至墅冀里= 至重e ) 幺乏互錾砻( 二二墓里堕! 二：3 吃孑幺翟多一一- 一一 c i b e 3 ：0 # 一一 - ( 亘互萼匣) ( 二蛩霉 y i 毒品i 耳f 专、乏z 乏季2 与= 一一- - i r 一一 f r a m e # ； 一一、j i 厂- ；= i r d y # i 一一 一，；竺芦1i 厂- 一- 一一一 一 t r o y # 一一 一桫一专一 一三厂卜一卜一一一一一一 一 d e v s e l ；一一_ 一- ，一一r 、； ；厂一一_ 一一1 一一一一一 图2 8d w o r d 传输时序 2 4 3 奇偶检测 12345e781