基于接口芯片的PCI總線(xiàn)接口卡的設計

1、引言

　　作為對PCI總線(xiàn)在儀器領(lǐng)域的擴展，PXI總線(xiàn)由于具有高性能、低價(jià)位等特點(diǎn)，使其在數據采集、工業(yè)自動(dòng)化系統、計算機機械觀(guān)測系統和圖像處理等方面獲得了廣泛應用。

　　但是PXI總線(xiàn)協(xié)議十分復雜，其接口的實(shí)現比ISA困難得多，直接為它設計相匹配的數字邏輯控制電路難度很大。特別是對于那些沒(méi)有PCI板卡設計經(jīng)驗的人來(lái)說(shuō)，要想直接設計出能滿(mǎn)足要求的PXI模塊幾乎是不可能的事。而PXI總線(xiàn)的電氣規范大部份跟PCI相同，只是增加了一些儀器特性?；谝陨峡紤]，我們決定通過(guò)設計一個(gè)PCI接口卡來(lái)系統地了解利用接口芯片PCI 9030開(kāi)發(fā)PXI模塊的過(guò)程和方法。

2、硬件設計

　　目前實(shí)現 PCI 接口的方法主要是采用可編程邏輯器件或采用專(zhuān)用接口芯片。為降低難度，縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間 ，我們決定采用專(zhuān)用接口芯片來(lái)進(jìn)行接口的開(kāi)發(fā)。因為我們的最終目的是開(kāi)發(fā)PXI模塊，所以我們選用了符合PXI性能要求的接口芯片PCI 9030。PCI 9030 是 PLX 公司開(kāi)發(fā)的一種為擴展適配卡推出的高性能目標接口芯片，其符合 PCI2.2 規范，3.3V 核心電壓，低功耗，176 引腳 PQFP 或180 引腳 BGA 封裝，本地總線(xiàn)可以設置為 8 位、16 位、32 位復用和非復用模式。

　　在我們原來(lái)的性能測試系統中，功率計模塊是基于ISA總線(xiàn)的插件，端口地址是ox100-ox107,數據總線(xiàn)寬度是8位，具有輸入輸出功能。我們要設計的接口卡所實(shí)現的功能相當于一個(gè)從ISA總線(xiàn)到PCI總線(xiàn)的轉接卡。PCI 9030作為一種橋接芯片，提供了PCI總線(xiàn)、EEPROM和ISA總線(xiàn)三個(gè)接口，下面分別介紹各部分的接口電路：

　　第一部分是PCI9030與PCI總線(xiàn)的接口。這些信號包括地址數據復用信號AD[31:0]、總線(xiàn)命令和字節使能信號C/BE[3:0]、奇偶校驗信號(PAR), 幀周期信號(FRAME#)、主設備準備好信號(IRDY#), 從設備準備好信號(TRDY#),停止數據傳送信號(STOP#),初始化設備選擇信號(IDSEL), 設備選擇信號(DEVSEL#)、數據奇偶校驗錯誤報告信號(PERR#)、系統錯誤報告信號(SERR#)、時(shí)鐘輸入信號(CLK),復位信號(RST#)、中斷信號(INTA#)等。電路連接中，把兩邊對應的管腳相連就行，中間不需要用電阻隔離。

　　第二部分是PCI9030與EEPROM的接口。EEPROM選用NATIONAL公司的NM93CS66L；它是一個(gè)4K的低電壓串行存儲器，用來(lái)存儲PCI9030的配置信息并在芯片復位時(shí)進(jìn)行加載，從而使PCI板卡具有即插即用的功能。PCI9030有四根信號線(xiàn)用于與EEPROM的連接：EESK, EEDO, EEDI和EECS。

第三部分是PCI9030與ISA總線(xiàn)的接口。

　　ISA總線(xiàn)功率計模塊的主要信號只涉及到I/0,且為8位寬的數據總線(xiàn)，數據傳輸只用到端口讀寫(xiě)信號IORD#和IOWR#，用A0-A9作為地址譯碼。在接口芯片的本地端中我們采用非復用模式，地址和數據總線(xiàn)都是8位，所以只需選擇LA2、LBE0和LBE1進(jìn)行地址譯碼就可以了。

3、EEPROM的配置

　　PCI總線(xiàn)能實(shí)現“即插即用”是因為它具有一個(gè)配置空間。當計算機啟動(dòng)時(shí)，BIOS會(huì )對每個(gè)PCI卡的配置空間進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，即自動(dòng)加載EEPROM內容來(lái)獲取各個(gè)PCI卡的配置信息，并根據這些信息進(jìn)行資源分配。配置空間是PCI所特有的一個(gè)空間，所有的PCI設備必須提供配置空間。

　　對EEPROM的配置要根據具體的硬件設備來(lái)進(jìn)行，其配置的正確與否是硬件設備能否正常工作的關(guān)鍵。下面以我所做的接口卡的串行EEPROM內容為例進(jìn)行介紹。

　　首先介紹PCI配置寄存器的配置方法。主要是填寫(xiě)器件ID號、供應商ID號、類(lèi)碼、子系統ID號和子系統供應商ID號等。對于PCI9030，其器件ID號為9030, 供應商ID號為lOB5 ,子系統ID號為9030,子系統供應ID號為10B5，類(lèi)碼號為0680，表示其為橋設備中的其它橋設備類(lèi)。另外，由于使用到中斷INTA#，所以在中斷寄存器中要將其值設為0100。

　　其次介紹本地配置寄存器的配置方法。PCI9030本質(zhì)上是一個(gè)橋設備，它的作用是把對某一段PCI總線(xiàn)地址空間的各種操作(包括讀、寫(xiě)等)轉換為相應的本地地址總線(xiàn)的操作。由于在接口卡的本地總線(xiàn)中只用到I/O地址空間，所以我們只需對本地地址空間1的相關(guān)寄存器進(jìn)行配置就行了。本地空間1范圍寄存器的值為oxFFFFFFF9，表示I/O空間大小為8個(gè)字節, bit0為1表示此空間被映射為I/O空間；本地空間1基地址寄存器的值為ox00000101，表示空間1的基地址為ox100, bit0為1表示空間1使能；本地空間1描述寄存器的值為ox00000022,表示本地空間1的數據總線(xiàn)寬度為8位。本地片選寄存器1的值是ox00000105,表示當本地地址落在ox100-ox107內時(shí)，片選信號CS1#有效以用來(lái)選擇本地總線(xiàn)上的外圍設備。對于其它值的含義可參考PCI9030的數據手冊，這里就不再一一介紹。圖2是PLXmON界面下EEPROM的配置窗口。

4、板卡調試

　　板卡做好后，就可以插入計算機的PCI插槽進(jìn)行調試。如果硬件電路設計正確，在自檢過(guò)程中，可以在屏幕上看到系統查找到的PCI設備，并且顯示出設備的DID和VID等相關(guān)信息。在系統正常啟動(dòng)后，會(huì )提示“發(fā)現新硬件”，并要求用戶(hù)安裝相應的驅動(dòng)程序，跳過(guò)以后就可以配置EEPROM進(jìn)而開(kāi)始調試。對EEPROM的編程有兩種方法：一是先用專(zhuān)門(mén)的燒錄器把數據下載到EEPROM再插入板卡中，這種方法修改起來(lái)比較麻煩；二是用專(zhuān)用的軟件在線(xiàn)寫(xiě)，如PLX公司提供的專(zhuān)用調試軟件PLXmon。PLXmon具有以下功能:PCI總線(xiàn)的探測與選擇；配置寄存器的檢查和修改；內存空間的顯示、修改和填充;EEPROM內容的讀寫(xiě)等。利用這個(gè)工具，我們可以隨時(shí)對EEPROM的內容進(jìn)行在線(xiàn)修改，大大提高了效率。值得注意的是每次修改完EEPROM都要對系統進(jìn)行重啟，使PCI配置寄存器和本地空間配置寄存器能夠重新加載新的值。

5、驅動(dòng)程序的編寫(xiě)

　　在板卡調試完成后，需要編寫(xiě)驅動(dòng)程序。驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)工具很多，但是多數需要了解操作系統的核心工作機制，難度比較大。經(jīng)過(guò)比較，我們采用了Jungo公司的WinDriver進(jìn)行驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)。利用WinDriver我們不必熟悉操作系統的內核知識就可以快速開(kāi)發(fā)出驅動(dòng)程序，它對于硬件調試也是一個(gè)很好的幫助工具。

　　用WinDriver開(kāi)發(fā)PCI設備驅動(dòng)程序一般有兩種方法:一種是使用向導(Driver Wizard), Driver Wizard能夠自動(dòng)生成驅動(dòng)程序的框架代碼，我們只需修改代碼，加入定制的功能，再在用戶(hù)態(tài)執行和調試代碼就行；另一種是直接在應用程序中調用WinDriver的API函數。

我們在開(kāi)發(fā)驅動(dòng)程序中采用的是前一種方法，其基本流程如下:

　　a. 打開(kāi)Driver Wizard，在Card InformATIon的設備列表中選中自己的設備，如圖3，點(diǎn)擊“Generate .INF file”生成安裝信息文件；

　　b. 點(diǎn)擊“下一步”，進(jìn)入WinDriver 資源定義與測試界面中，如圖4, 調試列出的I/O、內存等資源，并定義必要的工作寄存器，如PCI卡上的一些配置寄存器；

　　c. 點(diǎn)擊“Generate Code"，選擇VC編譯器作為自己的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言環(huán)境，此時(shí)將生成針對硬件設備的文件，包括代碼文件、說(shuō)明文件以及適用于VC編譯器的項目文件。

　　最后，對向導產(chǎn)生的設備驅動(dòng)代碼框架中添加自己的代碼，編譯連接后就可以生成對設備進(jìn)行診斷的控制臺程序了。

6、結束語(yǔ)

　　本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：在以往的接口卡設計中，對于實(shí)現ISA總線(xiàn)向PCI總線(xiàn)轉換的方法都是采用帶ISA接口的接口芯片，如PCI9052，這可以大大簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)PCI設備的過(guò)程。由于課題需要，我們選用了一種不帶ISA接口的接口芯片-----PCI9030制作了一個(gè)PCI接口卡。經(jīng)反復調試，該接口電路能夠順利地完成數據傳輸，已經(jīng)成功地實(shí)現PCI總線(xiàn)與外設的連接，這一方面驗證了用專(zhuān)用接口芯片實(shí)現PCI總線(xiàn)接口在技術(shù)上的可行性，另一方面也為下一步開(kāi)發(fā)PXI模塊打下良好基礎。

　　同時(shí)，本文中對接口卡的硬件電路連接、EEPROM的配置、驅動(dòng)程序的編寫(xiě)等方面都作了比較詳細的介紹，這對于那些初次接觸PCI總線(xiàn)開(kāi)發(fā)的人有一定的指導意義。