摘? 要: 采用FPGA技術,在ALTERA公司的FLEX6000系列芯片上實現(xiàn)了從設備模式PCI總線的簡化協(xié)議,并給出了Windows9x系統(tǒng)下的虛擬設備驅動程序,提供了與應用程序" title="應用程序">應用程序的接口。實現(xiàn)結果表明:該設計結構靈活,功能可靠,有利于與其它模塊實現(xiàn)單片集成應用。本系統(tǒng)已應用在數(shù)據(jù)采集和處理" title="采集和處理">采集和處理、圖像處理等方面。
關鍵詞: PCI總線協(xié)議" title="總線協(xié)議">總線協(xié)議? 現(xiàn)場可編程門陣列? 虛擬設備驅動
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目前,許多公司都提出了新型的計算機高速總線,如Arapahoe總線標準和HyperTransport技術,但各協(xié)議互不兼容,沒有形成統(tǒng)一標準。作為傳統(tǒng)的通用局部總線,PCI總線仍然占據(jù)著主流個人電腦市場,具有頑強的生命力。
現(xiàn)在市面上存在著各種PCI接口芯片,如AMCC公司的S5933,PLX的9080系列等。專用芯片可以實現(xiàn)完整的PCI主設備與從設備模式的接口功能,將復雜的PCI總線接口轉化為相對簡單的用戶接口,但系統(tǒng)結構受接口芯片的限制,不能靈活地設計目標系統(tǒng),且成本較高。本文使用符合PCI電氣特性的FPGA芯片進行簡化的PCI接口邏輯設計,實現(xiàn)了33MHz、32位數(shù)據(jù)寬度的PCI從設備模塊的接口功能,節(jié)約了系統(tǒng)的邏輯資源,且可以將其它用戶邏輯集成在同一塊芯片上,降低了成本,增加了設計的靈活性。另外,還給出了Windows9x系統(tǒng)下的設備驅動程序,可以與應用程序接口,形成一個完整的系統(tǒng)。目前,本系統(tǒng)已經被印染企業(yè)應用在數(shù)據(jù)采集和處理等方面。
1 系統(tǒng)構成與功能描述
系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。
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由圖1可見,系統(tǒng)的硬件平臺為一塊PCI卡。此卡的結構十分簡潔,主要由FPGA芯片、RAM芯片和輸出接口三部分組成。其中,FPGA芯片集成了PCI接口模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。PCI接口模塊實現(xiàn)了33MHz工作時鐘、32位總線寬度的接口功能,支持I/O" title="I/O">I/O空間、內存空間及配置空間的讀寫和PCI中斷功能。由于簡化的PCI接口占用的邏輯資源較少,可以在同一塊芯片中集成其他用戶邏輯。作為一個應用實例,本文加入了一個數(shù)據(jù)處理模塊,對PCI接口傳送來的數(shù)據(jù)進行處理,通過片外的輸出接口輸出到下位機。RAM芯片為數(shù)據(jù)處理提供緩存功能。
2 從設備模式下的簡化PCI協(xié)議的實現(xiàn)
為了實現(xiàn)PCI接口的基本功能,必須完成以下幾個模塊:
(1)PCI配置空間設置。PCI協(xié)議支持三種地址空間:I/O空間、內存空間和配置空間。配置空間提供了支持PCI設備自動配置的機制,是必需的。
????(2)PCI從設備狀態(tài)機。PCI總線狀態(tài)機是具有PCI總線的計算機系統(tǒng)的狀態(tài)流,是由一個已知狀態(tài)到另一個狀態(tài)的條件、時序的描述。這是PCI接口設計中最基本也是最重要的部分。
????(3)地址譯碼和命令譯碼。地址譯碼用來確定PCI設備是否應當響應當前總線的操作;命令譯碼則用來指示PCI設備根據(jù)不同的總線命令作出相應的動作。
本文采用ALTERA公司的Max+PlusII軟件平臺,硬件描述語言使用ALTERA HDL語言,也可以方便地轉換成VHDL或VerilogHDL語言。在此之前,先引入PCI總線信號的定義。
2.1 總線信號定義
根據(jù)PCI總線協(xié)議2.2版,從設備模式下PCI接口至少包含47根引腳。圖2給出了按功能劃分的引腳分布,左邊是必需引腳,右邊是可選引腳。為簡化起見,本文采用了如下引腳,其他引腳均不使能或置為高阻態(tài)。
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(1)由系統(tǒng)提供的33MHz的同步時鐘信號CLK和復位信號RST#(#表示低電平有效);
(2)關于數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵男盘?32位地址/數(shù)據(jù)復用線AD[31：0]、總線命令/字節(jié)使能復用線C/BE[3：0]#和偶校驗信號PAR;
(3)接口控制信號FRAME#、TRDY#、IRDY#、STOP#、
DEVSEL#和IDSEL。其中,FRAME#為數(shù)據(jù)傳輸起止信號,TRDY#為主設備準備好信號,IRDY#為從設備準備好信號,STOP#為從設備停止請求信號,DEVSEL#為設備選擇信號,IDSEL為配置空間讀寫時的片選信號;
(4)中斷引腳INTA#。
為簡化PCI協(xié)議,本文只實現(xiàn)了最重要的總線命令,表1給出了所支持的總線命令對應的C/BE?眼3：0?演#編碼值。
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2.2 配置空間設置
配置空間大小為256字節(jié),前64字節(jié)必需,記錄了PCI設備的基本信息,比較重要的有:
(1)VendorID、DeviceID和Class Code域:分別表示設備的生產廠商、設備編號和類型;
(2)Command和Status域:分別給出了對PCI設備的控制命令和當前狀態(tài);
(3)Base Adress Register域:指示此PCI設備按I/O方式還是內存方式進行讀寫以及需要的地址空間大小;
(4)Interrupt Line和Interrupt Pin域:分別指明了設備使用的中斷號和中斷引腳。
在對配置空間的訪問中,用AD?眼7：2?演尋址一個雙字DWORD。在本設計中,配置空間設置如表2所示,各值的具體含義請參閱文獻[1]。
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2.3 簡化的從設備狀態(tài)機
在PCI協(xié)議中,標準的從設備狀態(tài)機包含五種狀態(tài),而且各狀態(tài)的跳轉條件比較復雜。本文在不違反PCI協(xié)議的前提下,簡化了從設備的狀態(tài)機,如圖3所示。
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圖3中,狀態(tài)轉移條件信號a、b、c定義如下:a代表配置空間訪問條件,b代表I/O空間或內存空間訪問條件,c代表總線傳輸開始條件。這三個條件的實現(xiàn)由后面的命令譯碼模塊給出。
IDLE是系統(tǒng)的缺省狀態(tài),表示總線當前空閑。通常,設備處在IDLE狀態(tài)時,要檢測來自PCI總線和后級設備的信號,以便設備作出合適的響應。設備處于S_DATA狀態(tài)時完成第一次數(shù)據(jù)傳輸,直接無條件跳到BACKOFF狀態(tài)。設備在BACKOFF狀態(tài)時進行多個數(shù)據(jù)傳輸,直至主設備斷開訪問。需要注意的是:任何對I/O空間、配置空間以及內存空間的突發(fā)傳輸?shù)牡刂烦^了設備映射地址的范圍時,從設備要在此狀態(tài)建立STOP信號,斷開訪問。當幀信號無效或主設備終止傳輸時,設備回到初始的IDLE狀態(tài)。BUS_BUSY狀態(tài)時總線忙,表示總線正在被其它設備使用。有兩條轉移路徑,若總線仍然被占用,則停留在BUS_BUSY狀態(tài),否則返回空閑狀態(tài)IDLE。
2.4 地址譯碼和命令譯碼模塊
地址譯碼模塊主要檢測PCI地址與本PCI卡的基地址是否匹配,可以通過AD?眼31：00?演信號線上的值與設置的基地址作比較判斷。如果PCI地址落在設置的基地址范圍內,則PCI卡響應當前的總線操作。
命令譯碼模塊指示PCI卡響應不同的總線命令,通過檢測C/BE?眼3：0?演#信號線上的值,與表1列出的總線命令作比較,完成命令譯碼。
3 Windows9x系統(tǒng)下驅動程序的設計
對PCI設備而言,驅動程序提供了獲取PCI卡的配置空間信息、勾掛PCI中斷、總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋１疚慕榻B使用Numega公司的VtoolsD軟件進行驅動設計的方法。
3.1 尋找PCI卡并讀取配置空間信息
配置空間包含了系統(tǒng)初始化PCI設備所必需的信息,首先需要遍歷整個硬件樹結構來尋找指定的PCI設備。對于每一個設備,比較其廠商號(Vendor ID)和設備編號(Device ID),如果與設計的PCI卡的信息匹配,則讀取它的配置空間信息。
3.2 I/O方式下的讀寫操作
I/O方式下的讀寫比較簡單。在得到PCI設備基地址信息后,通過C++語言中的端口讀寫函數(shù)inpd和outpd即可完成。舉例如下:
Temp=_inpd(gBaseAddresses);// Temp中得到讀出的數(shù)據(jù)
_outpd(gBaseAddresses，Data); //向基地址寫入數(shù)據(jù)
其中,gBaseAddresses為基地址值,Data為寫操作時的數(shù)據(jù)。
3.3 內存方式下的讀寫
對于內存方式下的讀寫,一個重要問題就是地址的映射。因為硬件設備讀寫的是物理內存,但應用程序讀寫的是虛擬地址,所以存在著將物理內存地址映射到用戶程序線性地址的問題。
映射功能通過調用VtoolsD軟件的標準庫函數(shù)完成。根據(jù)給定的物理地址和所要求的空間大小,在系統(tǒng)內存中分配相應空間。首先,用PageReserve函數(shù)分配當前保留頁的線性地址空間,再利用PageCommitPhys函數(shù)的服務對開始的線性地址空間分配相應的物理地址空間。程序如下:
ULONG nPages=_NPAGES_(PhysAddress，SizeInBytes)；
????Linear=PageReserve(PR_SYSTEM，nPages，PR_FIXED)；
????PageCommitPhys(PAGENUM(Linear)，nPages，PAGENUM?????? (PhysAddress)，PC_INCR | PC_WRITEABLE | PC_USER )；
??? LinPageLock(PAGENUM(Linear)，nPages，0)；
??? 其中,PhysAddress為給定的物理地址,SizeInBytes為需要的空間大小。
建立了物理RAM到系統(tǒng)內存的映射后,就可以利用C++語言中的文件操作基類CFile類完成數(shù)據(jù)的讀寫。首先使用CFile類的成員函數(shù)Open打開文件,為保證數(shù)據(jù)讀寫的準確無誤,必須使用二進制方式打開;接下來使用Read和Write成員函數(shù)進行文件讀寫;完畢后用Close成員函數(shù)關閉文件。
3.4 中斷的勾掛和處理
首先在ON_DEVICE_INIT函數(shù)中完成中斷的初始化。即通過前面讀取的PCI設備的中斷號,使用VPICD_Virtualize_IRQ函數(shù)進行中斷勾掛,并調用VPICD_Physically_Unmask函數(shù)開中斷。
RTCIRQHandle=VPICD_Virtualize_IRQ(&IRQdesc)；
VPICD_Physically_Unmask(RTCIRQHandle)；
然后在RTCInt_Handler函數(shù)中進行中斷處理,可以進行各種操作,例如向應用程序發(fā)送自定義的消息來通知中斷的發(fā)生。
3.5 與應用程序的通信
一般地,應用程序通過CreateFile函數(shù)調用VxD驅動程序,得到一個VxD的文件句柄" title="句柄">句柄。使用如下的語句可以打開一個名為mydriver.VXD的文件,得到的句柄保存在hVxD中。
hVxD=CreateFile(″\\.\mydriver.VXD″，0，0，0，CREATE-NEW，
?????????????????????????????????? FILE-FLAG-DELETE-ON-CLOSE，0)；
通過句柄hVxD和DeviceIoControl函數(shù)就可以與驅動程序進行數(shù)據(jù)傳輸。
本文采用ALTERA公司的FLEX6000系列芯片,型號為EPF6016TC144-3,實現(xiàn)了簡化的從設備模式PCI協(xié)議,并在Windows9x系統(tǒng)下實現(xiàn)驅動程序的設計。整個系統(tǒng)工作良好。資源占用情況如下:可用I/O引腳113根,占用51根,占用率45%;可用邏輯單元數(shù)1320個,占用151個,占用率11%。
簡化的PCI協(xié)議的實現(xiàn)占用較少的邏輯資源,可以靈活方便地進行功能添加和改進,同時可以在同一塊芯片中集成其他用戶模塊,實現(xiàn)不同功能,以降低成本。目前,本系統(tǒng)已經應用在數(shù)據(jù)采集和處理、圖像處理等方面。
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參考文獻
1 PCI Local BUS specification production. Version Revision? 2.2. 1998
2 彭禮孝.虛擬設備驅動程序開發(fā)起步與進階.北京:人民郵電出版社,2000
3 趙雅興.FPGA原理、設計與應用.天津：天津大學出版社,1998