PCI接口扩展卡的快速开发方案

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
摘要:介绍了PCI总线扩展卡的设计思路和方法,并结合一个多功能CAN通信I/O卡的设计实例,介绍了PCI总线扩展卡的软硬件设计流程,给出了一套快速可行的解决方案。 关键词:PCI总线 PLX9052 设备驱动程序 Windriver 随着计算机和控制技术的不断发展,很多工程人员都选用PC机作为控制系统的操作平台。为了能够和外部设备通信,PC机上提供了外置的USB、串口、并口及内置的ISA、PCI等接口。PCI总线接口速度快,系统占用率低,有完备的即插即用(PnP)管理体制,是目前计算机插卡式外设总线的事实标准。 笔者设计了一块PCI总线多功能CAN通信I/O卡,可以完成数字量I/O、CAN总线通信的功能。本文将根据笔者的实际经验,介绍PCI接口扩展卡的软硬件设计流程和一种快速开发方案。 图1 1 PCI总线简介 PCI总线标准由PCISIG(PCI Special Interest Group)制定,该组织的成员有Intel、IBM、DEC等公司。目前PC机中使用的PCI总线标准主要以PCI2.0为主,其频率为33MHz,字宽为32bit,电源电压为5V。新版的PCI标准向下兼容,并支持66MHz时钟,字宽为64bit,电压为3.3V。 PCI总线是一种时分复用的双向应答总线,传输发起方称为主设备,接收方称为从设备。主设备用RFAME信号指示,从设备拉低它的DEVSEL线来表示响应传输请求。PCI总线的数据传输以帧为单位,每次传输由一个地址周期(Address Phase)和多个数据周期(Data Phase)组成,如图1所示。AD0~AD31首先给出本次传输的首地址,后面紧跟一个或多个32位(4字节)宽的数据,多个数据的地址自动递增。在地址周期,C/BE0~C/BE3这四根线的不同组合指示出在AD0~AD31上将要进行何种类型的操作,如C/BE0~C/BE3=0110表示存储器读,C/BE0~C/BE3=0011表示I/O写。在数据周期,C/BE0~BE3对应AD0~AD31上四个字节的使能。IRDY和TRDY分别表示主设备准备好和从设备准备好。在传输过程中,只有IRDY和TRDY同时有效,传输才能继续;否则插入等待周期,用于在不同速度的设备之间协调工作。 计算机的接口卡一般会用到I/O端口、存储器空间、中断及DMA等计算机资源。传统ISA接口卡通过更改跳线来避免多块卡之间的资源冲突,PCI接口卡则摒弃了硬件跳线,由软件统筹分配资源,这被称为即插即用。为实现此功能,PCI协议除了可以对I/O空间、存储器空间读写外,还定义了对配置空间的读写(C/BE0~C/BE3=1010、1011)。所谓配置空间,是指映射到每块接口卡上的256字节的特殊功能寄存器。设计者事先在配置空间的指定位置写入需要申请使用的资源量,主板上电后,由PnP-Bios读取各卡的配置空间,对它们所需的资源进行统筹分配,再将分配结果写回对应的配置空间地址,完成自动配置。 图2 2 PCI接口卡的硬件设计及调试 以笔者设计的PCI卡为例,使用SJA1000实现CAN总线通信功能,需要映射32字节的存储器空间和一个中断资源,在功能上属于PCI从设备(Target-only Device)。SJA1000的对外接口电路可以直接与Intel8051、8096及ISA总线连接,但是不能与PCI总线直接连接,因此需要设备用于逻辑转换的接口电路。 PCI接口电路的设计一般有两类方法:一类是使用FPGA/CPLD等可编程器件开发逻辑转换电路。根据实现功能的多少,所需的等效门密度约为5000~15000门,可自行编程或者购买已有“软核”(IPCORE)的产品实现;另一类是使用标准接口芯片对PCI总线逻辑信号解码。第一种方法开发成本高、难度大、周期长、测试设备昂贵,但是批量生产成本很低,适合大规模全定制或半定制ASIC的生产。第二种方法相对简单、开发周期短、性价比合理,适合本方案采用。市场上的接口芯片供应商有PLX、AMCC、TI等公司。其中,PLX公司的接口芯片PLX9052价格便宜、供货渠道畅通、功能适用,因此这里选用PLX9052。 采用PLX9052的接口卡在逻辑上可分成三个功能模块:PCI接口部分、EEPROM部分和局部总线部分,如图2所示。 PLX9052提供完备的PCI从设备支持,PCI接口部分的47根信号线可以直接与PCI连接器(俗称金手指)连接。PCI连接器上有两根特殊的引线PRSNT1#和PRSNT2#,它们不参与PCI协议操作,只用来告知主板该卡消耗的电功率。 PLX9052将PCI总线上的操作转换为对局部总线的操作,即通过LAD0~LAD7、RD、WR、CS等对SJA1000的寄存器进行访问。举例来说,如果系统上电后分配给本卡的存储器地址空间为F680 0000~F680 001F,那么当系统通过PCI总线访问这个区域时,PLX9052会应答,并将其转换为局部地址0x0000~0x001F,对应于SJA1000的32个内部寄存器。另外,PLX9052自身也有一些内部寄存器,它们被自动映射到另一片内存区域,可通过PCI总线直接访问。 PLX9052提供三种类型的局部总线信号:标准ISA模式、复用模式和非复用模式,其中复用模式和SJA1000的接口最吻合。此模式的信号和8051CPU输出的信号基本相同,可以直接与SJA1000及其它类似接口的芯片相连,只是片选信号不再需要外部地址译码电路,而是由PLX9052内部逻辑完成。 局部总线的时钟可以与PCI时钟异步,由有源晶振提供。控制信号LHOLD接地表示局部总线无需申请等待周期。LINTi1是中断申请线,接有上拉电阻,确保无中断时停靠在空闲状态。USER0~USER4是可编程I/O引脚,USER0、1设备为输入,USER2、3设置为输出,由PLX9052的内部寄存器控制,实现数字I/O功能。SJA1000和82C250构成CAN总线接口电路,最高可支持1MHz的通信速率。 EEPROM部分用于初始化PLX9052的寄存器,在系统上电后读取。PLX9052的EECS、EEDO、EEDI、EESK引脚分别与串行EEPROM 93LC46的对应引脚相连,其中EEDO引脚加有上拉电阻,使得在未安装EEPROM时,EEDO始终保持高电平状态,PLX9052仍然能够以缺省设置运行。以下对内个主要寄存器的设备进行说明。 VendorID和DeviceID:生产厂商代号和芯片代号。VendorID由生产商向PCISIG申请,DeviceID由生产商自行制定。PLX公司的VendorID为10B5,PLX9052的DeviceID为9050,故设为10B5 9050。 ClassCode:表示PCI卡属于哪种类型,如多媒体卡、显卡等。本设计中将其定为0000 0680,表示PCI桥(PCI Bridge)设备。 Local Address Space 0 Range:设为FFFF FFE0,表示申请32字节的存储器空间。 Local Address Space 0 Local Base Address(remap)设为0000 0001,表示将PCI总线上的地址转换为局部总线地址0x0000~0x001F。 Chip Select 0 Base Address:设为0000 0011,表示在局部总线地址为0x0000~0x001F时,局部总线的片选信号有效,用于SJA1000的片选。 Interrupt Control/Status:设为0000 0041,表示中断使能,响应LINTi上的中断申请。 CNTRL:设为0060 0C80,表示USER0、USER1引脚用于输入,USER2、USER3引脚用于输出,初始值分别为0、1,PCI数据传输等待超时长度为12个时钟周期。 根据PCI标准和PLX9052的说明文档,PCI连接器上所有的VCC、Vi/o 5V电源连接到一起,所有的GND端连接到一起,在尽可能靠近PLX9052电源引脚的地方放置高频去耦电容。PCI总线的时钟频率为33MHz,不恰当的布线会导致信号线之间的延时关系混乱,因此PCI协议对布线做了严格的规定,要求主时钟PCI_CLK线的长度为2.5英寸,误差应小于0.1英寸,其它引线短于1.5英寸,推荐使用四层板。设计中可以参考市面上的声卡和网卡布线实例,如考虑成本等因素,也可只使用两层板,双面覆铜接地。经实验验证该卡能够稳定工作。 3 PCI接口卡驱动程序及软件设计 在DOS环境下,操作系统对应用程序开放所有权限,开发人员可以使用汇编指令、BIOS函数等任何方法操作硬件资源,此处不再多述。 在Windows系统中,为避免因不当的硬件操作而导致系统崩溃,应用程序不再具有直接的硬件访问权,如果要操作硬件,必须借助设备驱动程序。现有的Windows系列操作系统产品众多,所使用的设备驱动程序结构也有所不同。其中,VxD型驱动程序最古龙,适用于Win3.x、Win95、Win98等操作系统;WinNT型驱动程序只适用于WinNT4.x以下版本的操作系统;WDM型驱动程序是WinNT型驱动程序的升级版,适用于Win98、Win2000、WinXP等操作系统,是今后几年的应用主流。 Microsoft为设备驱动程序的编写提供了一些工具,如Windows Device Drivers Kit(简称DDK),它包含了驱动开发所需的各种类型的定义和内核函数库。如果直接使用发所需的各种类型的定义和内核函数库。如果直接使用DDK,开发者需要了解整个系统体系结构和WDM规范,熟谙上千个DDK函数的功能和使用场合。用这些方法编制的驱动程序有很高的运行效率,但是开发难度大,测试流程繁琐,一般用于有一定研发和生产需求的单位。 为减轻开发者的负担,很多第三方厂商提供了辅助软件。如Numega公司的DriverStudio软件,它将DDK函数按照逻辑功能组织,把很多常用功能封装成类,建立了一个基于C++语言的而向对象的编程环境。开发者面对的不再是上千个复杂凌乱的DDK函数,而是逻辑清晰的类库,大大降低了开发难度和开发周期,获得了广泛的应用。 对于速度要求不高、实时性要求不严的场合,Jungo公司的Windriver软件提供了一种更加快速简洁的解决方案。它内置一个名为Wdpnp.sys的通用核心态WDM驱动程序,将一些基本的操作如存储读写、I/O端口读写、中断服务、DMA操作等进行了封装,开发者只需编写一个外壳程序来调用这个驱动程序,开发者只需编写一个外壳程序来调用这个驱动程序,就可以对硬件设备操作,如图3所示,图中灰色的部分表示Windriver已经提供。 Windriver提供的驱动程序经过充分优化,功能完备,在通用性和高效性之间做了很好的平衡。另外,Windriver专门为PLX公司的芯片开发了软件包,因此非常适合在本方案中使用。 Windriver启动后,会自动发现计算机上的所有即插即用设备,如图4所示。其中“PCI:PLX PCI 9050 Target PCI Interface Chip”即指本卡。点击“Generate.INF file”按钮可以生成INF文件,系统用它提供的信息安装Wdpnp.sys。 为方便在用户态驱动代码中操作SJA1000和PLX9052的寄存器,可以使用Windriver为已映射的存储器地址命名,如图5所示,图中CAN_IR表示中断寄存器,CAN_CR表示寄存器,等等。 Windriver的核心态驱动程序内置了中断服务函数,它的作用有两个:一是发送硬件清中断指令,用户在初始化阶段告知Windriver如何清中断(一般是对板卡上的某个寄存器进行读写),由核心驱动程序自动完成。二是通知应用程序有中断到来,回调用户程序的中断响应函数。 用Windriver可以生成一个基于C语言的应用程序函数库,用户通过这些库函数控制内核驱动程序。现以笔者编制的程序为例进行介绍,工程文件名取为CAN01。 在初始化阶段,先使用WD_Open()打开驱动程序,再用CAN01_Open()设置驱动程序工作参数,生成一个CAN01实例,最后用CAN01_IntEnable()设置用户态中断响应函数。 在退出应用程序前,先清除所有未处理的中断,释放分配的内存,再用CAN01_Close()删除CAN01,最后使用WD_Close()关闭驱动程序。 对SJA1000和PLX9052的寄存器的操作通过两个函数完成,可以实现CAN总线通信和数字量I/O等功能: 读操作CAN01_ReadByte(), 写操作CAN01_WriteByte()。 本文根据笔者的实验经验,介绍了开发PCI总线扩展卡的软硬件流程,给出了一套快速可行的解决方案。该方案电路简单、调试方便、编程高效、可以使技术人员迅速掌握PCI总线的开发技术,从而设计符合个性要求的多功能扩展卡。
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