基于CH365芯片的PCI總線(xiàn)接口卡的設計與實(shí)現

ISA(InduSTry Standard Architecture，工業(yè)標準結構)總線(xiàn)是上世紀八十年代中期出現的工業(yè)現場(chǎng)控制總線(xiàn)。

ISA總線(xiàn)數據傳輸速率較低，又不能動(dòng)態(tài)地分配系統資源，且對CPU占用率高，相應的插卡數量有限，并且如果幾個(gè)設備同時(shí)調用共享的系統資源，很容易出現沖突現象。所以ISA總線(xiàn)被PCI總線(xiàn)為代表的新一代計算機總線(xiàn)替代成為必然。與ISA總線(xiàn)相比，32位的PCI總線(xiàn)速度更快(數據傳輸率為133 Mb／s)、實(shí)時(shí)性更好、可控性更佳，更易于實(shí)現高速實(shí)時(shí)的I／O口控制卡、通信接口卡、數據采集卡等。但PCI總線(xiàn)也因其32位地址與數據復用、控制總線(xiàn)及時(shí)序較復雜等原因導致以FPGA實(shí)現比較困難。本文所述通過(guò)CH365芯片可以快速實(shí)現PCI接口電路的設計，支持ISA總線(xiàn)接口向PCI總線(xiàn)接口的升級，并且由CH365芯片的本地硬件地址功能可以實(shí)現原系統軟件無(wú)需修改就可使用，大大降低了板卡升級的時(shí)間周期和開(kāi)發(fā)難度，具有較高的實(shí)用價(jià)值和推廣價(jià)值。

2 PCI總線(xiàn)的特點(diǎn)

PCI是先進(jìn)的高性能局部總線(xiàn)，可同時(shí)支持多組外圍設備。其特點(diǎn)是：總線(xiàn)操作與處理器一存儲器子系統操作并行；線(xiàn)性突發(fā)傳輸；極小的存取延誤；不受處理器限制；基于PCI卡設備信息，全自動(dòng)配置與資源分配，實(shí)現即插即用。

PCI的地址空間有3類(lèi)：存儲器、I／O和配置地址空間。存儲器空間和I／O空間同以前的ISA總線(xiàn)規范相同，而配置空間是PCI所特有的。配置空間使系統處理器能夠枚舉PCI總線(xiàn)上的各種設備，并根據設備要求自動(dòng)配置存儲器和I／O的地址空間。操作系統在自檢的過(guò)程中檢測所有PCI設備，讀取設備的配置信息，并給每一設備分配系統資源，如中斷、I／O空間、存儲器空間等。在PCI系統結構中，為每個(gè)PCI都提供了256個(gè)字節(至少是前64個(gè)字節)的配置空間，這256個(gè)字節的配置空間中前64個(gè)字節稱(chēng)為頭區域，是每一個(gè)PCI設備都應該實(shí)現的，他的主要功能是識別PCI接口設備，以及PC訪(fǎng)問(wèn)板卡的方式等。其余的192個(gè)字節根據不同的PCI設備有所不同。

3 PCI接口芯片的選擇

PCI接口電路至少實(shí)現如下功能：

(1) 高速的地址產(chǎn)生單元；

(2) 地址譯碼及命令譯碼單元；

(3) 標準配置寄存器(64個(gè)字節)、PCI總線(xiàn)邏輯接口單元、用戶(hù)設備邏輯接口、數據緩沖區等。

所以若用FPGA芯片直接設計PCI接口則難度大且開(kāi)發(fā)周期長(cháng)，而專(zhuān)用的PCI接口芯片可以實(shí)現完整的PCI主控模塊和目標模塊接口功能，將復雜的PCI總線(xiàn)接口轉換為相對簡(jiǎn)單的接口。

目前常用的PCI專(zhuān)用接口芯片有PLX公司PCI90XX系列，AMCC公司S59XX系列，南京沁恒公司的CH365通用PCI接口芯片。其中南京沁恒公司的CH365是國內自主開(kāi)發(fā)的PCI總線(xiàn)接口芯片，CH365將32位高速PCI總線(xiàn)轉換為簡(jiǎn)便易用的類(lèi)似于ISA總線(xiàn)的8位主動(dòng)并行接口，并提供獨有的本地硬件地址請求功能，適合制作低成本的基于PCI總線(xiàn)的計算機板卡，以及將原先基于ISA總線(xiàn)的板卡升級到PCI總線(xiàn)上。另外CH365價(jià)格便宜、使用方法簡(jiǎn)單，非常適合用于短周期、低成本PCI接口卡的制作。

CH365是一個(gè)連接PCI總線(xiàn)的通用接口芯片，可將32位高速PCI總線(xiàn)轉換為主動(dòng)8位并行接口并提供16位地址，可以進(jìn)行I／O及存儲器的讀和寫(xiě)，可以設定PCI板卡的設備標識。

CH365非突發(fā)存取的實(shí)測速度可達7 MB／s，寫(xiě)脈沖的寬度從30～240 ns可選；自動(dòng)分配I／O基址，I／O空間占用256個(gè)，其中偏移00～EFH共240 B的標準的本地I／O端口，而F0～FF為CH365內部使用的寄存器，對I／O端口操作只須I／O基址加上偏移量；通過(guò)該接口直接升級ISA的I／O板卡到PCI總線(xiàn)，完全不需要修改原ISA卡的相關(guān)軟件；直接映射支持容量為32 kB的存儲器SRAM或者擴展ROM(BootROM)，偏移地址0000～7FFFH；提供兩線(xiàn)串行主機接口，可以?huà)旖宇?lèi)似24C0X的兩線(xiàn)串口E2PROM器件；支持Windows 98／ME／2000／XP，通過(guò)DLL提供應用層API。

CH365的地址引腳A15～A0用于提供相對于基址的偏移地址，引腳D7～D0為雙向數據引腳，與設備相連。IOP_RD用于提供I／O讀選通信號，IOP_WR用于提供I／O寫(xiě)選通信號，MEM_RD用于提供存儲器讀選通信號，MEM_WR用于提供存儲器寫(xiě)選通信號，上述引腳均為低電平有效。與PCI總線(xiàn)相連的引腳直接與PCI總線(xiàn)對應。

4 PCI接口卡的設計和實(shí)現

4.1 原ISA接口卡簡(jiǎn)介

原ISA總線(xiàn)接口卡是一個(gè)多路數據采集板，接口卡所采集數據由板上單片機與ISA總線(xiàn)通過(guò)雙口RAM進(jìn)行數據交換。雙口RAM的11位地址線(xiàn)與ISA總線(xiàn)的低口位地址線(xiàn)相連作為局部地址；ISA總線(xiàn)接口板的高位地址與GAL168V芯片相連，由預先設置在GAL168V芯片中的地址作為接口板基址；雙口RAM的左數據線(xiàn)通過(guò)一個(gè)8路總線(xiàn)收發(fā)器隔離后與ISA總線(xiàn)數據線(xiàn)相連，右地址線(xiàn)、數據線(xiàn)與單片機相連。

4.2 PCI接口卡的設計和實(shí)現

為了實(shí)現PCI總線(xiàn)接口需在原ISA接口板上加上CH365芯片及其周邊電路。CH365芯片與PCI總線(xiàn)的連接符合PCI總線(xiàn)規范，而CH365芯片提供的本地總線(xiàn)接口端與ISA總線(xiàn)接口類(lèi)似。為了減少總線(xiàn)接口改變帶來(lái)的改動(dòng)，本文利用CH365芯片的本地硬件地址功能設定接口卡的本地硬件地址。

4.2.1 本地硬件地址功能的實(shí)現

CH365提供一種可以由板卡制造商選定PCI設備I／O口地址的方法，即本地硬件定址，其原理是將PCI設備的部分I／O口地址譯碼，通過(guò)外圍的二級譯碼電路來(lái)實(shí)現。外圍的二級譯碼電路比較簡(jiǎn)單，與ISA總線(xiàn)的I／O譯碼電路類(lèi)似，CH365將PCI總線(xiàn)I／O操作地址同步提供給外圍電路，當外圍電路對地址譯碼匹配后，向CH365請求本地硬件定址，再由CH365請求PCI總線(xiàn)在該特定I／O口地址范圍內進(jìn)行讀寫(xiě)操作。

為啟用CH365提供的本地硬件定址功能，需將CH365局部數據總線(xiàn)端中D4線(xiàn)弱下拉接地(即設定值=0)，以設置CH365工作于本地硬件定址模式。外圍二級譯碼電路可由GAL16V8實(shí)現。

4.2.2 雙口RAM的讀寫(xiě)

CH365的本地地址線(xiàn)和數據線(xiàn)端與雙口RAM相連。雙口RAM允許2個(gè)CPU同時(shí)讀取任何存儲單元(包括同時(shí)讀同一地址單元)，但不允許同時(shí)寫(xiě)或一讀一寫(xiě)同一地址單元，否則就會(huì )出現寫(xiě)入值和讀出值不是期望值的混亂狀態(tài)。雖然雙口RAM本身帶有BUSY控制信號來(lái)協(xié)調兩端的訪(fǎng)問(wèn)，但BUSY信號腳要求與兩側CPU的READY線(xiàn)相連，而CH365并不具有READY信號線(xiàn)，因此，需要引入仲裁邏輯控制模塊。常用的雙口RAM解決地址競爭的途徑有：令牌傳遞法、基于郵箱機制的INT中斷法以及插入等待周期的BUSY法等。在本系統中采用第二種方法。

基于郵箱機制的INT中斷法的基本思想是：給每個(gè)端口分配一個(gè)地址作為郵箱，比如本系統可以令CH365使用00H，單片機使用8000H，這兩個(gè)地址用來(lái)裝載作為分配兩端口RAM使用權的依據數據。具體約定為：當左端口CH365寫(xiě)地址單元00H時(shí)，通過(guò)邏輯器件可實(shí)現右中斷DSP INT(DSP中斷)為低，向DSP發(fā)出中斷清求，DSP讀地址單元00H時(shí)，DSP INT為高，復位CH365發(fā)出的中斷請求。同理，當右端口寫(xiě)地址單元8000H時(shí)，左中斷INT REQ(CH365中斷)為低，可向左端口發(fā)出中斷請求；而當左端口讀地址8000H時(shí)，INT_REQ為高，復位DSP發(fā)出的中斷請求。當信箱內容為00時(shí)，表示正在使用該方端口；當信箱內容為FFH時(shí)，表示結束使用該端口。因此，雙方在對端口的其他單元進(jìn)行讀寫(xiě)操作開(kāi)始時(shí)，需要向郵箱中寫(xiě)入00H，操作結束，寫(xiě)入FFH。如果沒(méi)有發(fā)生爭用，則直接進(jìn)行讀寫(xiě)操作，否則，慢的一方產(chǎn)生中斷，并查詢(xún)對方郵箱，直到對方郵箱內容為FFH。具體實(shí)現可借助CPLD來(lái)完成。

4.2.3 PCI接口卡設計中應注意的問(wèn)題

PCI接口作為高頻數字電路，電磁兼容設計尤為重要，在設計PCB板時(shí)需要參考PCI總線(xiàn)規范。CH365的PCI信號的走線(xiàn)長(cháng)度應小于35 mm，盡量走弧線(xiàn)或者45°線(xiàn)，信號布線(xiàn)盡量在元件面，在PCB背面保留大面積接地覆銅。CH365芯片有3對電源引腳，在制作印制板時(shí)，應在每對電源附近放置高頻消磁退耦電容。

5 結 語(yǔ)

本文所述，通過(guò)增加一片CH365芯片，采用硬件地址方式所設計的PCI接口卡，可獲得和原ISA卡完全相同的性能。而用戶(hù)計算機控制程序不用作任何修改，僅僅在PCI板卡插入計算機過(guò)程中，添加CH365芯片的驅動(dòng)程序而已，從而避開(kāi)繁雜的PCI總線(xiàn)接口規范標準，大大簡(jiǎn)化了PCI接口卡設計的難度，同時(shí)也極大地降低了PCI卡開(kāi)發(fā)和制造的成本，具有較好的市場(chǎng)前景。本文所升級的PCI接口卡已經(jīng)實(shí)際使用，功能正常，取得了很好的效果。