用双端口RAM实现与PCI总线接口的数据通讯
2008-05-09
作者：姚利民，孙逢春，李军求，张承宁
摘 要： 采用双端口" title="双端口">双端口RAM实现DSP与PCI总线芯片之间的数据交换接口电路。提出了一种使用CPLD解决双端口RAM地址译码和PCI接口芯片" title="接口芯片">接口芯片局部总线" title="局部总线">局部总线仲裁的的硬件设计方案，并给出了PCI总线接口芯片寄存器配置实例，介绍了软件包WinDriver开发设备驱动程序" title="设备驱动程序">设备驱动程序的具体过程。
关键词： PCI总线 双端口RAM CPLD 设备驱动
随着计算机技术的不断发展，为满足外设间以及外设与主机间的高速数据传输，Intel公司于1991年提出了PCI总线概念。PCI总线是一种能为主CPU及外设提供高性能数据通讯的总线，其局部总线在33MHz总线时钟、32位数据通路时，数据传输速率最高可达133Mbps。实际应用中，可通过PCI总线实现主机与外部设备的高速数据传输，有效解决数据的实时传输和存储问题，为信号的实时处理打下良好基础。
本文主要提供一种基于PCI总线的数据传输系统设计方案，其中双口" title="双口">双口RAM起桥梁作用，完成上位机与外围主控单元之间的数据握手。
1 双端口RAM实现PCI总线接口方案
本系统主要用于解决上位机与外围控制单元的数据传输问题。上位机运行信息诊断程序，通过PCI总线与外围控制单元以一定速率传输数据，在主机中实时监控并保存数据。由于实现高速实时数据传输，数据量大，所以在PCI局部总线上插入一个高速双端口RAM。双端口RAM一端作为PCI总线接口的本地端存储器，一端作为DSP目标存储器。需要传输保存的数据经DSP处理后借助双端口RAM和PCI总线接口完成了上位机与DSP的数据握手。本文提出的双端口RAM实现PCI总线接口方案如图1。
考虑到PCI总线接口对局部总线的控制时序比较复杂，需要译码和控制电路来实现局部总线的访问及控制。本系统使用CPLD解决双口RAM的地址访问竞争冲突问题。需解决的主要问题有：①PCI接口电路设计；②CPLD地址译码和总线仲裁；③PCI总线驱动程序开发。
2 PCI接口电路设计
PCI卡的设计一般采用两种方案。一种是根据PCI协议在FPGA或CPLD中实现PCI总线接口控制器，但是由于PCI协议的复杂性，使得开发难度大、周期长；另一种使用现成的PCI接口芯片，用户开发难度降低，只把重点放在PCI接口芯片局部总线的接口设计和PCI总线配置空间的初始化，而不用速度考虑PCI总线规范上众多的协议规范，加快了开发时间。
本数据传输系统使用PLX公司的PCI 9030总线接口芯片，以CPLD完成逻辑控制及与外设的连接，整个系统的硬件框图如图 2。其中双端口RAM采用IDT71V321，CPLD选用XILINX公司的XC9536CPLD芯片，EEPROM选用NS公司的93CS56，控制单元DSP选用TMS 320LF2407A。
2.1 PCI 9030内部结构及其数据传输
PCI 9030是PLX公司开发的PCI总线目标接口芯片。其特点：低功耗，PQFP176针封装，符合PCI V2.2规范；在PCI总线上是从设备，但在局部总线上是主设备；PCI 9030支持突发传输，有5个PCI总线到局部总线地址空间，9个可编程的通用I/O，4个可编程的片选，支持热插拔。PCI 9030主要由PCI总线接口逻辑、局部总线接口逻辑、串行E2PROM接口逻辑和内部逻辑组成，结构框图见图3。
PCI 9030支持PCI主设备直接访问局部总线上的设备，数据传输方式分为内存映射的突发传输和I/O映射的单次传输，并且由PCI基址寄存器设置在PCI内存和I/O空间中的合适位置，另外局部映射寄存器允许PCI地址空间转换到局部地址空间。
2.2 配置实例
系统访问的双口RAM存储空间为2KB，要求将这个存储器空间映射到局部地址空间0，采用内存方式映射，存储器的数据宽度为 8位，并且不采用突发传输，读写时不可预取。下面介绍这个地址空间各个寄存器的具体配置过程。
(1)配置地址范围寄存器
根据PCI配置寄存器与LAS0RR的对应关系以及双口RAM的地址空间800H，取7FFH的补码得到FFFFF800H。又因为按照设计要求，要映射到内存空间的任何位置并且设置为不可预取的，这样LASORR寄存器后3位应该为000H。所以LAS0RR的值应该最终确定为FFFFF800H。
(2)配置基址寄存器
该寄存器的基址必须是地址空间范围的整数倍，在本例中必须是2K的整数倍，可将基地址定为 00004000H，又由于基址寄存器位0为空间使能位，所以应将这一位设置1；至于位 2、位3，由于是映射到内存空间，设为00H即可。所以LAS0BA的值最终被确定为00004001H。
(3)配置片选信号控制寄存器
该寄存器的地址范围和基地址必须与LAS0RR或LAS0BA所定义的范围和空间相对应。可根据PCI 9030提供的配置寄存器的方法确定CS0BASE的数值：板卡的2KB空间可以用十六进制表示为800H，将800H右移一位得到400H，然后将基地址加到400H左边的任何一位中。因为所采用的基地址为00004000H，所以得到的值为00004400H；又因为第1位为片选使能位，应该设置为1。所以最终确定的数值为00004401H。
由于局部总线采用8位的宽度，将工作方式定义在不使能突发，不预取，配置总线区域描述寄存器的数值确定为400140A2H。另外，还要根据要求设置CNTRL寄存器控制PCI 9030的工作状态，确定为18784500H。当所有这些数据都配置完成后，便可将这些数据按照加载顺序写入串行E2PROM中，从而完成整个系统的配置。
通过这几个寄存器的配置，一个局部地址空间便可以确定下来。在系统上电后，系统BIOS根据这几个寄存器的内容将板卡上2KB的RAM空间重映射到PCI空间中，使主机可以像访问自己的地址空间一样访问板卡上的RAM。
2.3 CPLD控制逻辑
对于双口RAM同一个地址单元，不能同时进行读或写操作，但两边连接的主控芯片，都可以对其进行读、写操作，因此必须解决地址竞争问题。本系统中，使用XILINX公司的XC9536CPLD芯片完成PCI局部总线的译码和控制电路。由于系统控制计算主要在DSP中完成，上位机只起监控和数据保存作用，因此规定对双口RAM的操作DSP优先于PCI 9030；同时CPLD也参与了DSP片外程序存储器Flash和数据存储器RAM的地址译码，控制逻辑用公式表示为：
3 设备驱动程序设计
设备驱动程序开发工具通常有DDK、VtoolsD、WinDrvr等。为加快开发速度，采用JUNDO公司的WinDrvr开发设备驱动程序。其使用简单，支持多种操作系统。
采用Windrvr开发PCI桥接设备的驱动程序有两种方法。一种Wizard开发向导是自动生成驱动程序框架代码，然后根据实际需要，加入定制功能。这种方法生成的代码较多，程序较复杂。另一种是在Vc++创建工程中直接利用Windrvr的API函数生成驱动程序，比在Wizard生成的框架代码上修改更为灵活。本文采用后一种方法。以下是用Windrvr开发PCI9030桥芯片的驱动代码，只要稍加改动就可以作为其他PCI芯片驱动程序的一部分，例如PCI9050、PCI9052等。程序中出现的变量名都由其名称反映含义，具体可以参见Windrvr设计文档说明。
PCI9030_RegisterWinDrvr()； //注册WinDrvr
hWD=W_Open()； //打开Windrv设备，每次使用前要调用
pciSan.searchId.dwVendoId=0x10b5； //供货号
pciSan.searchId.dwDevice.Id=0x9030； //设备号
WD_pciScanCards(hWD，&pciScan)； //枚举设备
pciSlot=pciScan.cardSlot[0]； //得到设备槽号
pciCardInfo.pciSlot=pciSlot；
WD_PciGetCardInfo(hWD，&pciCardInfo)； //得到设备槽上的设备信息
Card=pciCardInfo.Card； //PCI卡上资源结构
cardReg.Card=Card；
WD_CardRegister(hWD，&cardReg) //锁定卡上资源
Item=Card.Item[2]； //资源赋给Item
If(Item.item==ITEM>MEM0RY)
{ regAddr=Item.I.Mem.dwUserDirectAddr；
//得到PCI卡上内存映射到用户态地址
}
至此获得了本地端映射到用户的内存地址，调用读写函数就可以对本地芯片进行操作。
参考文献
1 邓晓勇，韩 燮，毛 明.利用FPGA实现与PCI总线接口的数据通信[J].华北工学院学报，2002；23(6)：436～439
2 陈利学，孙 彪，赵玉连等.微机总线与接口设计[M].成都：电子科技大学出版社，1998
3 PLX公司.PCI 9030 Data Book.Version 1.4.May，2002
4 刘 巍.一种快速开发PCI桥设备驱动程序的方法.现代雷达，2002；(2)：39~40
5 黄 殉，孙政顺.利用WinDriver开发PCI设备驱动程序.电子技术应用，2001；27(3)：15～16