（载运工具运用工程专业论文）基于pci总线的汽车电子控制器开发装置功率模块设计方法研究.pdf

摘要 汽车工业作为我国国民经济发展的重要支柱产业 即将步入持续快速发展时 期 汽车电子技术的飞速发展和对汽车技术进步的影响有目共睹 正成为支持汽 车工业发展的相对独立的新兴支柱产业 并将形成巨大的经济规模效应 我国的 汽车电子产业在新技术的自主研发上与国外先进水平还存在很大的差距 因此国 内自主研发的汽车品牌很少 大多都是直接应用国外的电子控制技术或者使用国 外的电子控制器开发平台进行设计 成本高 研发周期长 难以在短期内形成规 模 资金周转不灵 不利于企业的发展 为了国内汽车电子技术的迅速发展 我 们需要依靠自主研发的汽车电子控制器的开发装置 汽车电子控制器开发装置在电子控制器的研发方式上采用了软硬件协同开 发的设计模式 开发装置的软件平台上集成了图形编辑器 控制算法数据库和机 器代码自动生成等功能 硬件平台上采用了模块化的思想 设计大量标准化的功 能模块供硬件工程师选择和组合 从而帮助电子控制工程师在设计硬件电路 控 制算法和软件编程的过程中降低工作难度 提高效率 并且能在很大程度上缩短 电子控制器产品的周期 提高产品的质量和可靠性 另外使用自主的汽车电子控 制器开发装置能大大地降低研发成本 使新产品迅速形成规模走向市场 进而推 动企业进一步的发展 文章研究了汽车电子控制器开发装置的现状及背景 提出了汽车电子控制器 开发装置的设计理念和总体方案 文章主要对开发装置的p c i 总线管理模式和硬 件平台的设计方案作了介绍 详细说明了硬件平台中基于c p c i 总线的功率输出功 能模块的硬件电路设计方法 关键词 汽车电子 功率模块 可编程逻辑器件 脉冲宽度调制 a b s t r a c t t h ea u t o m o t i v ei n d u s t r yt o o ko u rc o u n t r yn a t i o n a le c o n o m yd e v e l o p m e n t t h ei m p o r t a n tp i l l a ri n d u s t r y s o o nm a r c h e si n t oc o n t i n u e st od e v e l o pt h e t i m ef a s t t h ea u t o m o t i v ee l e c t r o n i ct e c h n o l o g i cr a p i dd e v e l o p m e n ti s o b v i o u st oa l lt ot h ea u t o m o t i v et e c h n o l o g ya d v a n c e m e n ti n f l u e n c e i s b e c o m i n gt h es u p p o r ta u t o m o t i v e i n d u s t r i a ld e v e l o p m e n tt h er e l a t i v e l y i n d e p e n d e n te m e r g i n gp i l l a ri n d u s t r y a n dw i l lf o r mt h eh u g ee c o n o m i c a l s c a l ee f f e c t o u rc o u n t r y sa u t o m o t i v ee l e c t r o n i ci n d u s t r ya l s oh a st h e v e r yb i gd i s p a r i t yi nt h en e wt e c h n i c a li n d e p e n d e n t r e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n tw i t ht h eo v e r s e a sa d v a n c e dl e v e l t h e r e f o r et h ed o m e s t i c i n d e p e n d e n tr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ta u t o m o t i v eb r a n da r ev e r yf e w m o s t l y a 1 1i st h ed i r e c ta p p l i c a t i o no v e r s e a se l e c t r o n i cc o n t r o lt e c h n o l o g yo r u s eo v e r s e a se l e c t r o n i cc o n t r o l l e rd e v e l o p m e n tp l a t f o r mt oc a r r yo nt h e d e v e l o p m e n t t h ec o s ti sh i g h t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tc y c l ei sl o n g i nas h o r tt i m ef o r m st h es c a l ew i t hd i f f i c u l t y t h ef u n dt u r n o v e r d i f f i c u l t l y m a k ea g a i n s tt h ed e v e l o p m e n to ft h ee n t e r p r i s e f o rt h e d o m e s ti ca u t o m o ti v ee l e c t r o n i ct e c h n i c a lr a p i dd e v e l o p m e n t w en e e dt o d e p e n du p o nt h ei n d e p e n d e n tr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tt h ea u t o m o t i v e e l e c t r o n i cc o n t r o l l e rd e v e l o p m e n ti n s t a l l a t i o n t h ea u t o m o t i v ee l e c t r o n i cc o n t r o l l e rd e v e l o p m e n te q u i p m e n tu s e dt h e s o f t w a r ea n dh a r d w a r ec o o r d i n a t i o nd e v e l o p m e n tp a t t e r ni nt h ee l e c t r o n i c c o n t r o l l e rr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tw a y i nt h ed e v e l o p m e n te q u i p m e n t s o f t w a r ep l a t f o r mi n t e g r a t e dt h eg r a p he d it o r c o n t r o la l g o r it h md a t a b a s e a n dm a c h i n ec o d ea u t o m a t i cp r o d u c t i o n i nt h eh a r d w a r ep l a t f o r mh a su s e d t h em o d u l a rt h o u g h t e s t a b l i s h e dm a s s i v es t a n d a r d i z e dt h ef u n c t i o nm o d u l e t oc h o o s ea n da s s e m b l ef o rh a r d w a r ee n g i n e e r t h u sh e l pe l e c t r o n i cc o n t r o l e n g i n e e ri nt h ep r o c e s sw h i c ht h ed e s i g nh a r d w a r ee l e c t r i cc i r c u i t t h e c o n t r o la l g o r i t h ma n dt h es o f t w a r ep r o g r a m m e dr e d u c e st h ew o r kd i f f i c u l t y e n h a n c e dt h ee f f i c i e n c y a n dc o u l dr e d u c et h ec y c l eo fe l e c t r o n i c c o n t r o l l e rp r o d u c tt oa g r e a te x t e n t e n h a n c e dt h ep r o d u c tt h eq u a li t ya n d t h er e l i a b i l i t y m o r e o v e rt h eu s eo fi n d e p e n d e n ta u t o m o t i v ee l e c t r o n c o n t r o ll e rd e v e l o p e m e n te q u i p m e n tt ob ea b l et or e d u c et h ec o s tg r e a t l y c a u s e st h en e wp r o d u c tt of o r mt h e t h e ni m p e t u se n t e r p r i s ef u r t h e r s c a l et om o v et o w a r d st h em a r k e tr a p i d l y d e v e l o p m e n t t h ea r t i c l eh a ss t u d i e dt h ep r e s e n ts i t u a t i o na n dt h eb a c k g r o u n do f a u t o m o t i v ee l e c t r o n i c c o n t r o l l e rd e v e l o p m e n te q u i p m e n t p r o p o s e dt h e a u t o m o t i v ee l e c t r o n i cc o n t r o l l e rd e v e l o p m e n te q u i p m e n td e s i g ni d e aa n d t h e o v e r a l lc o n c e p t m a i n l yt od e v e l o pt h ei n s t a l l a t i o nh a r d w a r ep l a t f o r mt h e d e s i g np r o p o s a l t om a k et h ei n t r o d u c t i o n i n t r o d u c e di nt h eh a r d w a r e p l a t f o r mi nd e t a i lb a s e do nt h ec p c im a i n1 i n ep o w e ro u t p u tf u n c t i o nm o d u l e h a r d w a r ec i r c u i td e s i g na n dt h ed r i v e rd e v e l o p m e n t k e yw o r d s a u t o m o t i v ee l e c t r o n p o w e rm o d u l e c p l d p w m 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独立进行研究 工作所取得的成果 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 学位论文作者签名 林 日期 铘g 年弓月弓1 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 学位论文作者签名 撕久 1 日期 阳8 年 月31 日 指导教师签名 胁 日期 谐弓月罗 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 项目研究背景 汽车工业的快速发展和汽车市场的激烈竞争极大地促进了汽车电子技术的应 用和发展 为我国汽车电子技术快速发展创造了最佳时期 而电子技术本身的创 新也为汽车产业的发展提供了技术保证 且为汽车向电子化 智能化 网络化 多媒体方向发展创造了条件 汽车电子技术的发展正在改变着汽车的传统结构和 扩展着汽车的功能 汽车电子技术的应用正成为争夺未来汽车市场的最有效的手 段 对于当今的汽车产业 应用电子技术的程度已成为提升汽车技术水平的重要 标志之一 汽车电子产业快速发展的同时面临着巨大的挑战 从目前市场资源上看 国 内大部分汽车整车企业为中外合资企业 其产品是直接引进国外成熟车型和配套 的国外汽车电子产品 因此 汽车的主流电子产品基本上是被国外公司垄断 国 内电子产业很难进入其主流配套体系 而且目前国内汽车电子企业产品也缺乏市 场竞争力n 1 从产品开发上看 电子控制系统的开发技术难度大 周期长 前期 开发资金 配套资金 整车匹配试验资金投入较大 对于一般企业 很难承受巨 大资金 难以快速形成经济规模 从目前基础上看 国内汽车电子产业基础薄弱 缺乏技术积累和数据库支持 缺少原创性技术 没有掌握汽车电子技术核心技术 无技术标准可依 因此 掌握核心技术和采用先进的开发工具就显得尤其重要 另外现代市场对汽车产品的需求呈现多样性和快速性的趋势 对电子控制系 统安全性和可靠性的要求也与日俱增 为了在激烈的市场竞争中取胜 必须不断 地缩短新产品开发与投入市场的周期 这就出现了企业新产品面临着多样性的需 求和快速开发之间的矛盾 为了设计可靠的控制系统 满足用户的多样化需求 缩短项目开发周期 降低产品开发费用 需要采用先进的开发工具来加速设计流 程 从而找到新的途径获得技术上的突破 使用汽车电子控制器开发装置来进行 控制系统开发的目的就是为了缩短开发周期 提高产品研发的可靠性 在行业竞 争中能够快速开发出新产品 从而获得最大的经济效益和市场效益 1 2 电子控制器开发装置概述 电子控制系统一般由硬件和软件两部分组成 其开发过程大致可分为需求分 析 规格说明 硬件 软件分解 硬件 软件设计 硬件 软件实现 集成测试 产 品分配与维护等六个阶段乜3 第一章绪论 2 传统的电子控制系统开发方法流程见图1 1 图1 1传统控制系统开发流程图口1 f i g u r e1 1 t h ef l o wo ft r a d i t i o n a lc o n t r o ls y s t e md e v e l o p m e n t 图1 2 软硬件协同开发流程图口1 f i g u r e1 2 t h ef l o wo fs o f t w a r e h a r d w a r ec o o p e r a t i v ed e v e l o p m e n t 传统的控制系统开发步骤如下 第一章绪论 3 根据需求用文字说明的方式提出设计目标 根据以往开发经验提出系统结构 由硬件人员设计并制造硬件电路 由控制工程师设计控制方案 并将控制模型用 方程的形式描述出来 由软件人员采用手工编程的方式实现控制模型 由系统工 程师或电子技术专家将代码集成到硬件电路中 用真实控制对象或测试台进行测 试 传统的开发过程中存在着需求更改 软件代码甚至代码运行硬件环境不可靠 等问题 导致项目周期长 费用高 缺乏必要的可靠性 这就要求在开发的初期 阶段就引入各种试验手段 并有可靠性高的实时软 硬件环境做支持 对于进行控 制算法研究的工程师而言 急需的是一个通过方便而又快捷的途径将他们用控制 系统设计软件开发的控制算法实现的一个实时的硬件平台 便于观察与实际的控 制对象相联时 控制算法的性能 而且如果控制算法不理想 还能够很快地进行 反复设计 反复试验直到找到理想的控制方案 该汽车电子控制器开发装置能实现软硬件的协同开发 其开发流程见图1 2 开发装置设计时在硬件平台上将电子控制系统硬件按功能进行了模块化的划分 使得控制系统的硬件连接变得简单 用户只需要根据产品的要求选择适用的硬件 功能模块 即可在开发装置的硬件平台上组成完整的硬件结构 如在设计过程中 有不合适的模块 还可实时更换 不必再花费时间和成本重新设计和制板 而在 软件平台上 开发装置将实现图形化的可编程逻辑界面 并建有大量功能模块库 和数据库供用户方便选择 设计好的方案可通过软件自动生成代码并编译成可直 接下载到硬件中的机器代码 避免了软件工程师反复地编程和调试工作 1 3 国内外研究现状 国内在电子控制系统快速开发装置方面的研制还处在起步阶段 市场上还没 有成熟的产品面世 国内企业和研发机构在汽车电子领域中大多使用国外相关产 品为主 还未形成研制 生产具有自主知识产权的产品的局面 同国外相比还存 在着很大的距离 开发出自主的汽车电子控制系统开发装置对我国汽车工业的发 展具有重要意义 目前 在电子控制系统开发平台技术上处于领先水平的是由德国d s p a c e 公司 研发的为控制工程项目的开发和测试提供的d s p a c e 软硬件平台 它具有组合性 强 快速开发性好 实时性强 可靠性好 性能价格比高等特点 d s p a c e 实时仿 真系统是一套基于m a t l a b s i m u l i n k 的控制系统开发及半实物仿真的软硬件工作 平台 该系统由硬件组件和基于这些硬件组件的软件开发工具集组成 它通过设 计标准组件 提供组件的不同组合来适应不同的应用系统 通过使用m a t l a b 第一章绪论 4 s i m u l i n k r t w 来提供对硬件接口的支持 使用自动代码生成和下载工具 减少 了软件代码编写和修改的时间 体现了现代开发方法的快速性 同时提供产品控 制器与d s p a c e 系统纳入闭环测试中 易于原型设计到产品的转换h 1 d s p a c e 平台使用快速控制原型技术 通过将快速原型硬件系统与所要控制的 实际设备相连 可以反复研究使用不同传感器及驱动机构时系统的性能特征 另 外可以利用旁路 b y p a s s 技术将原型电控单元 e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t 即 e c u 或控制器集成于开发过程中 从而逐步完成从原型控制器到产品型控制器的 顺利转换 硬件平台在d s p a c e 平台开发中是快速原型方法的重要组成部分 它由 c p u 与外围扩展电路组成 通过外部功能接口与目标应用系统进行交互 也可以 根据实际需求对信号进行调理 从而实现对目标应用系统的控制 d s p a c e 软硬件平台广泛应用于航空航天 汽车 发动机 电力机车 机器人 驱动及工业控制等领域 通用性强 在被控对象建模和控制器建模方面对开发人 员的技术开发素质要求较高 许多汽车工业的用户都使用d s p a c e 作为开发测试的 工具 如a u d i 公司用d s p a c e 实现了a b s 控制器测试台 f o r d g e n e r a lm o t o r s h o n d a t o y o t am o t o r n i s s a m a z d am o t o r 等公司用d s p a c e 进行动力控制原 型的开发 德国a d t r a n z 公司则用d s p a c e 实现了电力机车的仿真 1 4 论文的主要研究内容 汽车电子控制器开发装置涉及面广 需要研究的内容繁多 本文主要介绍汽 车电子控制器开发装置硬件平台上其中一种功能模块试验板的设计制板 以及对 于硬件平台上基于c p c i 总线的各模块在软件层面上的管理模式研究 论文的主要内容包括 介绍了汽车电子系统开发装置总体框架以及硬件平台设计方案 介绍了c p c i 总线的管理模式 热插拔技术 并对p c i 仲裁机制作了分 析研究 介绍了硬件平台上功率模块c p c i 板卡的电路设计 并按照c p c i 板卡要 求设计制作了印制电路板 介绍了可编程逻辑器件的开发流程 并利用c p l d 技术在功率模块设计 实现了p 1 m 信号的产生 解决了模块之间无法传输p w m 信号的难题 第二章汽车电子控制器开发装置整体方案 第二章汽车电子控制器开发装置整体方案 2 1开发装置总体结构 汽车电子控制器开发装置 以下简称开发装置 实现了电子控制系统的软硬 件并行开发 其标准的模块化硬件设计 简明的程序图形化编辑 强大的控制模 型和功能模块库 方便易用的代码自动生成和下载以及智能化的原理图自动整合 都为电子控制系统的开发提供了便利 能节省研发成本 缩短研发周期 保证产 品性能 开发装置的总体结构可分为硬件平台和软件平台两部分 硬件平台用于 实现电子控制系统硬件的功能模块化以及与p c 机的连接和通信 软件平台则是基 于p c 机操作系统建立的 通过完善的控制模型库实现控制程序的图形化编辑和代 码自动生成 根据功能模块的原理图库实现将自动识别出的硬件平台功能模块的 原理图连接起来形成完整的电子控制系统的原理图 开发装置的总体结构框简图如图2 1 图2 1汽车电子控制器开发装置体系结构图 f i g u r e2 1t h ea r c h i t e c t u r eo f t h ed e v e l o pd e v i c ef o ra u t o m o t i v ee l e c t r o n i cc o n t r o l l e r 2 2 开发装置设计方案介绍 2 2 1开发装置硬件平台 电子控制系统硬件部分按功能不同可划分为相应的模块 有处理器模块 存 第二章汽车电子控制器开发装置整体方案 6 储模块 信号采集模块 功率模块和i 0 模块 各模块在硬件平台上通过p c 机主 板上的p c i 总线进行通信和数据传输 作为试验开发 设计的功能模块以实现机 械式自动变速器 a u t o m a t e dm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n a m t 系统的功能为依 托 a m t 系统电子控制器的结构框架如图2 2 图2 2a m t 系统电子控制器的结构框图 f i g u r e2 2 t h eb l o c kd i a g r a mo f a m ts y s t e m se l e c t r o n i cc o n t r o l l e r 汽车电子控制器开发装置硬件平台的结构框图如图2 3 图2 3 开发装置硬件平台结构框图 f i g u r e2 3 t h eb l o c kd i a g r a mo fd e v e l o pd e v i c e sh a r d w a r ep l a t f o r m 第二章汽车电子控制器开发装置整体方案 7 根据a m t 系统电子控制器的电路设计 在硬件平台中的处理器 m c u 模块 存储器模块 功率输出模块 信号输入模块 c a n 模块分别通过c p c i 背板与p c 机上的p c i 插槽连接 各模块之间通过p c 机上的p c i 总线通信 对于p c i 总线而 言 p c 机上的c p u 为主设备 功能模块要借p c i 总线通信时需要由处理器模块向 p c 机提出总线占用申请 在p c 机让出p c i 总线之后 p c i 总线的主控制权移交给 功能模块中的处理器模块 此时处理器模块即可通过p c i 总线向其他模块发送控 制信号和读取数据 本文对c p c i 和p c i 的性能及工作方式作了说明 并详细介绍 了硬件平台中功率模块的设计开发 2 2 2开发装置软件平台 软件平台将建立在p c 机的w i n d o w s 平台上 采用v i s u a lc 语言编程实现 其功能 软件平台需要实现的功能有 1 用户可以通过对象模型建模模块调用d y n a m o 或a d a m s 系统动力学建模 软件建立对象模型 存入到对象模型库中 2 通过控制算法设计模块来设计控制算法 存入到基本控制逻辑与算法库 或功能模块库中 同时在该模块中设计控制逻辑符号 存入到控制逻辑符号库中 3 在图形编辑器下调用控制逻辑符号库中对象模型和控制模型 建立完整 的控制系统 调用符号库的符号时 同时调用其对应的算法以及参数 在图形编 辑器下可以对模型进行离线仿真 仿真结果可用平面曲线或三维动态显示 结果 如果不满足要求 可以通过人工调试器来修改或更换参数甚至改变控制算法 4 编译器将对解释器生成的c 代码进行编译 通过目标代码加载器加载到 嵌入式硬件模块中 软件平台上的功能可以降低软件工程师的工作难度 从控制算法的建立到程 序代码的实现都可在软件平台很直观地进行设计 有庞大的控制算法数据库可供 调用 利用图形编辑器功能可以简明直观地进行软件控制系统的搭建 最后在软 件平台上自动生成代码 可以大大地避免在设计中由于程序编写错误造成的不必 要损失 2 3o p ti 与p cl 总线 在硬件平台上所涉及到功能模块之间的通信 我们借用了p c 机主板上的p c i 总线通道 为了加强各模块的适用性和可靠性 功率模块板卡设计采用了标准的 c p c i c o m p a c tp c i 板卡 从p c i 总线到c p c i 接口之间的线路连接是通过背板 将p c i 接口转化为标准的c p c i 接口 方便硬件功能模块的开发和测试 在本节中 对c p c i 和p c i 作出了介绍和说明 c p c i 接口引脚与p c i 引脚功能对照表见表2 1 第二章汽车电子控制器开发装置整体方案 表2 1c p c i 接口引脚与p c i 引脚功能对照表 t a b l e2 1c p c ip i n sa n dp c ip i n s p i nzabcdefp i n 2 5 g n d b 6 1a 6 0e n u m a 3 9a 6 2g n d2 5 2 4g n i b 5 8b 6 2 b 5 9a 6 0 b 6 0g n d2 4 2 3g n db 4 3a 5 5b 5 6a 6 1a 5 7g n d2 3 2 2g n db 5 3g n da 3 3a 5 4b 5 5g n d2 2 2 1 g n db 4 1a 4 9b 5 2m 6 6 e na 5 2g n d2 1 2 0g n db 4 7g n da 5 9a 4 7b 4 8g n d2 0 1 9g n db 3 6a 4 4b 4 5g n da 4 6g n d1 9 1 8g n db 4 2g n da 2 7a 4 3b 4 4g n d1 8 1 7g n db 3 1s d o n es b o g n db 4 0 g n d1 7 1 6g n db 3 7g n db 1 9a 3 8b 3 9g n d1 6 1 5g n db 2 5a 3 4b 3 5g n da 3 6g n d1 5 1 2 1 4 1 2 1 4 1 lg n da 3 1 b 3 2 a 3 2g n db 3 3 g n d1 1 1 0g n db 2 9b 3 2a 2 1a 2 9b 3 0g n d1 0 9g n db 2 6a 2 6b 2 7g n da 2 8g n d9 8g n da 2 3 g n d a 1 6 b 2 4a 2 5g n d8 7g n da 2 0b 2 1a 2 2g n db 2 3g n d7 6g n db 1 8g n db 5 4b 1 6b 2 0g n d6 5g n d b 1 1a 1 9a 1 5g n da 1 7g n d5 4g n db 9 g n d a i oi n t pi n t s g n d4 3g n da 6b 7a 7b 6b 8g n d3 2 g n d b 2a 5a 3b 4a 4g n d2 1g n d b 5b 1a 1a 2a 8g n d1 p i nza b cd efp i n 2 3 1c p ci 2 0 世纪9 0 年代 p c i 总线作为台式机系统的业界标准被千百万台计算机采用 但是它无法提供高度的可靠性 也不能满足高可用性系统在正常运行时间的要求 而且 主板很难散热 主板边缘接头可靠性低 在更换主板时极易受到损伤 显 然 p c i 无法为现代控制提供性能优良的解决方案 而c p c i 正是在p c i 的基础上 解决这些问题之后应运而生的 c p c i 是一种基于标准p c i 总线的小巧而坚固的高 性能总线技术 它定义了更加坚固耐用的p c i 版本 在电气 逻辑和软件方面 它与p c i 标准完全兼容 下文中将详细介绍有关p c i 标准 c p c i 板卡具有3 u 和6 u 两种规格的标准欧式插卡结构 欧式插卡机械结构是 一种由v m e b u s 推广的工业级包装标准 c p c i 卡的前面板符合i e e e l l 0 1 1 和 第二章汽车电子控制器开发装置整体方案 9 i e e e l l 0 1 1 0 标准 并且可以包含可选的e m c 密封圈以降低电磁干扰 c p c i 卡具有总线速度快 支持热插拔 适用恶劣环境 抗干扰强 防震 功 耗低等特点 并且具有自我侦错 自动配置等简化管理的功能喳3 c p c i 总线的特性如下 耐用性好 从传统工业p c 系统上更换一块板卡常常是相当耗时的 用户需松 开并移去机箱盖 由于板卡与外围设备之间可能会有一些内部连接电缆 而换卡 时必须将这些连线断开 因此这一过程是很容易出错的 而c p c i 卡设计为从前面 拔插板卡 并且板卡上没有任何连线 使得板卡在更换时极其快捷简便 大大缩 短维修时间 提高维修和设计的效率 在耐用方面 传统工业p c 系统无法做到像 c p c i 系统这样简洁而高效 抗震性好 传统工业p c 不能对系统中的外围设备板卡提供可靠而安全的支持 插入其中的板卡只能固定于一点 卡的顶端和底部也没有导轨支持 因此卡与槽 的连接处也容易在震动中接触不良 c p c i 卡牢牢地固定在机箱上 顶端和底部均 有导轨支持 前面板紧固装置将前面板与周围的机架安全地固定在一起 卡与槽 的连接部分通过针孔连接器紧密地连接 由于卡的四面均将其牢牢地固定在其位 置上 因此即使在剧烈的冲击和震动场合 也能保持持久连接而不会接触不良 通风性好 传统的工业p c 机箱内空气流通不畅 不能有效散热 空气流动因 为无源底板 板卡支架和磁盘驱动器所阻塞 冷空气不能在所有板卡间循环流动 热空气也不能立即排出机箱外 电子设备和电路板会因为这些散热不好的问题而 损坏 使之变形 断线以及寿命短等 c p c i 系统为系统所有发热板卡提供了顺畅 的散热路径 冷空气可以随意在板卡间流动 并将热量带走 由于良好的机械设 计带来通畅的散热途径 c p c i 系统极少出现散热方面的问题 2 3 2p ci 总线性能 作为c p c i 基础的p c i 总线是一种优良的总线标准 与i s a 等总线相比有着显 著的特点 主要表现在 1 高性能 p c i 总线时钟为3 3 m h z 与c p u 时钟无关 其总线宽度为3 2 位 并可扩展到6 4 位 其带宽可达到1 3 2 2 6 4 m b s p c i 总线支持无限读写线性猝发 传输数据模式 确保总线不断满载数据 外设一般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 每次只需 将地址自动加一 便可接受数据流内下一个字节的数据 线性猝发传输能更有效 地运用总线带宽去传输数据 减少无谓的地址作业 该功能对高性能加速器尤为 重要 因为c p u 有九成以上的数据存取是将数据由内存写入帧缓冲记忆存储的 兼容性好 p c i 设计与i s a e i s a 及m c a 总线完全兼容 p c i 局部总线可 第二章汽车电子控制器开发装置整体方案 lo 提供 共用插槽 以便接一个p c i i s a e i s a 及m c a 插头 这种兼容能力不仅 为用户提供了可使用的扩展卡 还能为用户提供额外的插槽 方便用户选用新的 外围设备 效率高 支持p c i 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 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 即插即用 p c i 标准规定p c i 插卡插入系统即可工作 无需开关和跳线装 置 每个p c i 插卡都含有2 5 6 字节空间用于存放自动配置信息 每当新的p c i 扩 展卡插入时 系统的p c ib i o s 会读取扩展卡的相关信息 自动界定为处理器通信 的地址 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 适合于各种机型 p c i 局部总线不只是为标准的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 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 这是它的一 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 由于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 位外围设备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 p c i 还提供了自动配置功能 从而保证了用户在安装外 围卡时 不需要手工调整跨界线 低成本 高效益 p c i 的芯片将大量系统功能高度集成 节省了逻辑电路 耗用较小的线路板空间 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至5 0 以下 p c i 局部总线既迎合了当今的技术要求 又能满足未来的需要 是计算机界公 认的最具高瞻远瞩的局部总线标准 p c i 的高性能 高效率 与现有标准的兼容 第二章汽车电子控制器开发装置整体方案 1 1 性和充裕的发展潜力是其它总线不可及的 2 3 3p ci 总线配置空间 p c i 总线支持三个独立的物理地址空间 存储器空间 i 0 空间和配置空间口1 存储器空间和i o 空间是在各自整个空间里统一编址 一个p c i 设备占有存储器 空间的一部分或i 0 空间的一部分 在p c i 寻址配置空间时 要给出设备片选信 号 以表明该配置地址是寻址哪一个设备的配置空间的 为实现参数自动配置 每个p c i 设备必须提供2 5 6 字节的配置空间结构 结 构的头部占6 4 字节 设备寄存器置于6 4 2 5 6 字节之间 软件可通过检查p c i 总线 确定总线上的设备 所有p c i 设备必须支持厂商标识 v e n d o ri d 设备 标识 d e v i c ei d 等 配置空间结构如表2 2 所示 表2 2 配置空间结构嘲 t a b l e 2 2t h es t r u c t u r eo fc o n f i g u r a t i o ns p a c e 设备标识厂商标识 状态命令 分类代码修改版本标识 内置自测试头标类型等待时间定时器c a c h e 行长度 基地址寄存器 6 个 卡信息结构指针 予系统的标识子系统供应商标识 扩充r o m 基地址 保留 最长等待时间最短获准时间 中断引脚 中断线 p c i 的配置寄存器是p c i 设备的硬件与p c i 设备的初始化软件及错误处理 软件之间的信息交流区 以便软件对p c i 设备进行辨识和控制以及p c i 设备向 软件反映状态和要求 p c i 的配置空间的功能如下 设备识别 在头标区内有5 个寄存器是与一个p c i 设备的识别有关的项 配置软件通过 访问这些寄存器很容易确定在该p c i 总线上有什么样的p c i 设备 这5 个寄存 器都是只读的 1 厂商标识 v e n d o ri d 标识该设备的制造厂家 这个标识符由p c i 规 范的权威组织统一分配 以保证唯一性 分配给p l x 公司的标识码为l o b 5 第二章汽车电子控制器开发装置整体方案 1 2 2 设备标识 d e v i c ei d 标识某一种设备 这个标识符由厂商分配 如功 率模块设计中使用到的p c i 9 0 5 2 芯片 p l x 公司分配其设备标识符为9 0 5 0 3 修改版本标识 r e v i s i o ni d 标识设备具体的修改版本 由制造厂商选 择 如p c i 9 0 5 2 的修改版本标识为0 2 h 4 头标类型 h e a dt y p e 表明头标区中l o h 3 f h 字节空间的布局类型和 该设备是否为多功能设备 位7 用来标识是否为多功能设备 为l 时 表示是 一个多功能设备 为0 时 则表示为单功能设备 位6 0 规定头标区中l o h 3 f h 字节的布局类型 5 分类代码 c l a s sc o d e 该寄存器分为3 个字节段 高字节 o b h 是基 本分类码 b a s ec l a s sc o d e 粗略地对设备的功能进行分类 中字节 o a h 是 一个子分类码 s u b c l a s sc o d e 标识更具体的功能 低字节 0 9 h 标识所用 的寄存器一级的编程接口 r e g i s t e r l e v e lp r o g r a m m i n gi n t e r f a c e p c i 9 0 5 2 的分类代码为0 6 8 0 0 0 设备控制 位于配置空间0 4 h 偏移地址处的命令寄存器是一个反映p c i 设备产生 作为 主设备 和响应 作为从设备 p c i 周期的能力 在一个具体的设备中 命令寄 存器中的这些位是否被设置 取决于设备的功能 命令寄存器是一个读写寄存器 设备状态 位于配置空间偏移地址0 6 h 处的状态寄存器用来记录p c i 总线有关事件的状 态 也表达对某些p c i 总线操作的支持能力 几个杂项功能 1 c a c h e 行长度 c a c h el i n es i z e 2 等待时间定时器 l a t e n c yt i m e r 3 内置自测试b i s t b u i l t i ns e l ft e s t 4 中断线 i n t e r r u p tl i n e 5 中断引脚 i n t e r r u p tp i n 6 最短获准时间和最长等待时间 m i n g n t m a x l a t 基地址 在头标区中有6 个双字的基地址寄存器 在上电时这6 个基地址寄存器向 p o s t 上电自检 软件反映该设备需要多少存储器和i o 空间 p o s t 软件通过 各设备内的基地址寄存器了解到p c i 总线上有哪些存储器设备和i 0 设备 根据 它们的容量需求把它们映射定位到适当的存储器地址和i 0 地址 并把起始地址 再写入基地址寄存器 然后引导系统 1 基地址寄存器 每一个基地址寄存器对应该设备的一片存储器或i o 空 第二章汽车电子控制器开发装置整体方案 1 3 间 基地址寄存器的位0 是只读的 设备用这一位来表示这个寄存器所申请的空 间是存储器空间还是i o 空间 如果某一基地址寄存器的位0 为1 则表示该寄存器相关联的空间是要映射到 i o 空间的 该寄存器是用于i o 空间映射的基地址寄存器 位1 为保留位 位 2 3 1 用来把设备上的这片空间映射到系统i o 空间 p o s t 软件最后要把分配给 它的系统i o 空间基地址再写回到该寄存器的2 3 1 位 i o 基地址寄存器总是 3 2 位的 如果某一基地址寄存器的位0 为0 则表示该寄存器相关联的空间是要映射到 存储器空间的 该寄存器是用来存储器空间映射的基地址寄存器 该寄存器的位 1 3 也是只读的 其中位l 2 是一个类型编码 表示该存储器空间的映射要求 2 地址映射p o s t 软件对设备里的存储器和i o 进行地址映射的思路是这样 的 首先读各设备中这些基地址寄存器 查明各设备所想要的空间和容量 经统 一协调和分配后 向各寄存器的高位字段写入所分配空间的基地址 把寄存器所 对应的存储器或i o 映射到系统的物理地址空间中去 空间类别从基地址寄存器的最低位很容易判断 基地址寄存器表达自己所要 空间容量的方法是把寄存器中的基地址字段的若干个低位从硬件上拉到0 p o s t 软件从p c i 总线先向该基地址寄存器写入1 然后读回其值 由于硬件连到0 的 位不能写入1 在读回值中 从位4 对于存储器 或从位2 对于i o 开始到 最高位所返回的0 的个数反映了所想要的容量 基地址寄存器的容量要求按上述方法确定以后 p o s t 软件就可以在系统物理