機載嵌入式PCI總線硬件設計和軟件測試

摘要：介紹機載嵌入式PCI總線硬件設計、軟件測試方法。在分布式系統(tǒng)結構設計具有典型性和實用性。內(nèi)容充實，信息量大，工程實踐性強。

關鍵詞：PCI總線 地址映射 主設備

PCI總線起源于微型計算機，已經(jīng)成為微型計算機事實上的總線標準。因其眾多的功能、強大的兼容性而獨領風騷。為PCI局部總線設計的器件是針對PCI而不是針對特定的CPU處理器，獨立于處理器的升級。其目標是實現(xiàn)電流盡可能小的系統(tǒng)，功耗低。軟件透明，在和PCI設備之間通信時，軟件驅(qū)動之間使用相同的命令集和狀態(tài)定義。隨著嵌入式計算機的發(fā)展，PCI總線也越來越多地被引入到嵌入式系統(tǒng)中。本文介紹在“十五”預研項目中實現(xiàn)嵌入式PCI總線的一些經(jīng)驗體會，與大家切磋。

1 PCI總線概述

PCI（Peripheral Component Interconnect）總線，即外設部件互聯(lián)總線。在PCI應用系統(tǒng)中，如果某設備取得了總線控制權，就稱其為“主設備”（master），而被主設備選中以進行通信的設備稱為“從設備”（slave）。圖1是PCI總線信號匯總。

系統(tǒng)信號包括復位信號RST和時鐘信號CLK。仲裁信號有總線申請REQ和總線授權信號GNT。接口控制信號包括主設備啟動PCI交易的FRAME信號、主設備的交易數(shù)據(jù)有效信號IRDY和目標完成本次數(shù)據(jù)交易的信號TRDY等。PCI沒有一般數(shù)據(jù)周期的讀寫信號，而是采用命令編碼形式定義本次PCI周期的讀寫屬性。每個PCI周期由主設備啟動，在第一個時鐘周期，AD[31..0]信號承載地址信息，C/BE[3..0]的組合代表命令，定義PCI周期。第二個時鐘手，AD[31..0]由提供數(shù)據(jù)一方驅(qū)動，C/BE[3..0]的組合代表有效的字節(jié)。詳細情況可參閱參考文獻，亦即PCI規(guī)范。

2 PCI總線設計

目前有眾多的能支持PCI總線的廠家和芯片。其中以美國PLX公司的PCI9056功能最完備，使用簡易。下面的設計以PCI9056為主要模型。

2．1 PCI系統(tǒng)時鐘

PIC總線的信號驅(qū)動采用反射波方式而不是傳統(tǒng)的入射波。這樣，對各設備采樣時刻的偏差要求很高，亦即時鐘的偏斜（skew）應盡可能小，最大的時鐘偏斜≤2ns。最好整個PCI系統(tǒng)各設備采用同一時刻；但同一時鐘的驅(qū)動能力有限，不可能同步驅(qū)動所有PCI設備。IDT74CT3807時鐘驅(qū)動器可以解決這個問題。它將一個時鐘源泉轉(zhuǎn)換為10個等同的時鐘，各時鐘之間的偏斜≤350ps。圖2是PCI時鐘解決方案。

顯然，除去中央資源，這個PCI系統(tǒng)最多可以帶9個設備，對于嵌入式系統(tǒng)來說已經(jīng)足夠了。在PCI底板上，為保證時鐘的偏斜率，各PCI時鐘必須走等長線。

2．2 中央資源和PCI適配器

在PCI系統(tǒng)總線中，必須存在一個PCI主橋（Host）管理整個總線。主橋提供系統(tǒng)信號和進行PCI部遲疑不決仲裁。PCI9056可以工作在Host方式下，也可以作為普通PCI適配器。圖3是兩種工作模式原理。

當HOSTEN引腳連接地時，PCI9056工作在Host模式，亦即成為系統(tǒng)的中央資源，圖3（a）就是這種情況。圖3（b）工作在適配器模式。在Host模式時，PCI9056的局部復位LRESET是輸入，接收來自局部CPU等的復位，然后在RST產(chǎn)生PCI總線復位，去復位整個PCI總線上的其它設備。而工作在適配器模式下的PCI9056剛好相反，RST接收來自PCI總線的復位，然后通過LRESET去復位PCI設備內(nèi)的其它器件。一般地，把主橋的PCI8056設置為總線仲裁器。注意二者仲裁信號REQ和GNT互換連接。

PCI9056作適配器時，仲裁信號使用REQ和GNT。當它作為總線仲裁器時，還有其它的請求應答信號對可以使用。圖3中沒有表示出來。

2．3 加電初始化

眾所周知，PCI總線的地址是可以根據(jù)系統(tǒng)動態(tài)調(diào)整的。各個模塊在PCI空間所占的地址和長度取決于內(nèi)部配置寄存器。系統(tǒng)程序一般在加電時就檢測整個系統(tǒng)所需的空間，分配各PCI設備的基址和所需存儲器空間、I/O空間。這個初始化過程可以用三個辦法完成。圖4是支持系統(tǒng)軟件初初化的對應硬件電路，本質(zhì)量PCI9056內(nèi)部寄存器的設置。

如果PCI9056設計為系統(tǒng)的主橋（北橋），亦即中央資源（Host），則在它的局部總線一側都存在CPU。寄存器的初始化可以由CPU進行，也可以由存入EEPROM的內(nèi)部參數(shù)自動裝入。如果PCI9056作為一般PCI設備的適配器，一般沒有CPU，可以由初始化過的主橋通過PCI配置周期來設置內(nèi)部寄存器，也可以由EEPROM在加電時自動載入。圖4中的EEPROM采用仙童公司的FM93C56或FM93CS56皆可。由局部CPU可設置內(nèi)部所有寄存器，控制邏輯應產(chǎn)生CCS片選。若不采用EEPROM加電自動載入初始化參數(shù)時，應該在圖4中的DI/DO引腳下拉1kΩ的電阻。除由局部CPU初始化和EEPROM加電自動初始化外，更多的PCI設備由主橋通過PCI總線來動態(tài)初始化。系統(tǒng)軟件要保證各個設備的PCI空間不重疊。

3 軟件設計

PCI總線不易調(diào)試，不但在于硬件設計復雜，還在于驅(qū)動軟件有相當?shù)碾y度。但只要把幾個基本概念和功能巧妙地體現(xiàn)在軟件中，整個驅(qū)動軟件就很清晰了。以下代碼是在TMS320C6701環(huán)境下的一些成熟的驅(qū)動函數(shù)。

3．1 配置主橋作為PCI總線的主設備

在初始化PCI總線其它設備時，中央資源作為PCI總線的主設備。此時由局部CPU設置所有寄存器，并不產(chǎn)生任務PCI周期，亦即局部邏輯必須譯碼產(chǎn)生CCS信號。

//功能：配置中央資源的PCI9056作為主設備時的參數(shù)

//入口參數(shù)

//Range: 映像范圍長度

//PCIBAddr: PCI基址

//LocBAM:局部存儲器基址

//LocBAMI: 局部I/O配置基址

void ConfigHostMaster(UINT Range,UINT PCIBAddr,UINT LocBAM,UINT LocBAMI)

{UINT Aword;

//PCI命令碼寄存器CNTRL

//D3..0=PCI Read Command Code for DMA

// 缺省1110b:Memory Line Read,存儲器行讀

//D7..4=PCI Write Command Code for DMA

// 缺省0111b:MemoryWrite, 存儲器寫

//D11..8=PCI MemoryRead Command Code for Direct Master,

// 缺省0110b:MemoryRead 存儲器讀

//D15..12=PCI MemoryWrite Command Code for Direct Master.

// 缺省1110b:MemoryWrite， 存儲器寫

//D30=1:復位PCI方

//就用這個缺省值，即000F.767EH

*（int *）LOC_CNTRL=*(int *)LOC_CNTRL|0x400000000;

Aword=0x000FFFFF;

While(Aword--); //復位持續(xù)

*（int *）LOC_CNTRL=*(int*)LOC_CNTRL 0xBFFFFFFF;

//清掉軟件復位

//PCI仲裁控制器PCIARB

*（int *）LOC_PCIARB=0x00000001;//中央資源要當PCI總線仲裁器

//---Direct Master-to-PCI地址映射--

//局部基址+Range-->PCI地址映射.--

//局部基址+Range-->PCI基址+Range

//1.范圍寄存器DMRR

//長度范圍值DMRR

//長度范圍值應該是64KB的倍數(shù)，亦即D15..0=0000H

//而填入值應該是長度值的被碼，即變反+1，如

//64KB=0001.0000H-->FFFE.FFFFH+1=FFFF.0000H

//1MB=0010.0000H-->FFEF.FFFFH+1=FFF0.0000H

*(int *)LOC_DMRR=(～Range)+1;//映像范圍

//2.局部存儲器基址DMLBAM（P11-29）

//D15..0:Reserved.

//D31..16:基址高16位，必須是范圍值的倍數(shù)

*（int *）LOC_DMLBAM=LocBAM;

//3.局部I/O Configuration基址DMLBAI

//當配置訪問使能時，對這個寄存器所指的基址進行訪問，將在產(chǎn)生PCI配置周期

*（int *）LOC_DMLBAI=LocBAMI;

//4.PCI基址寄存器DMPBAM（P11-30）*(int *)LOC_DMPBAM=PCIBAddr|0xE3;

*(int *)LOC_DMCFGA=0x00000000;//暫時不產(chǎn)生配置周期

*（int *）LOC_DMDAC=0x0; //高32位地址始終為0，需要雙地址

//5.命令寄存器PCICR（P11-8）

//D0=IO Space=1:要響應I/O周期.

//D2=Master Enable=1:允許做Master.

*(int *)PCI9056_PCICR|=0x00000007;

return;

}

當PCI總線上的其它設備需要訪問中央資源時，主橋就成為從設備，所以應該配置其PCI空間到局部空間映射的參數(shù)。這個過程是一個逆變換，代碼在此省略。

圖3

3．2 配置PCI總線從設備

當中央資源作為主設備訪問其它PCI設備時，必須對從設備進行適當?shù)某跏蓟?。一般選用PCI配置周期設置PCI橋的關鍵配置寄存器，然后用普通PCI存儲器周期設置其它寄存器。

Void ConfigPCISlave(UINT And,UINT Range,UINT PCIBAddr,UINT LRegPBA,UINT LocBAddr)

//功能：通過主橋產(chǎn)生PCI配置周期，去配置PCI總線上作為從方的PCI9056

//入口參數(shù)：

//ADn:設備號，亦即和被配置設備的IDSEL#相連的PCI地址

//Range:范圍長度

//PCIBAddr:PCI基址

//LRegPBA:內(nèi)部寄存器的PCI存儲器基址（范圍512B），

//亦即PCIBAR0值

//LocBAddr:局部基址

{UINT Abit32W,LROffset;

//------用配置周期-----------------------

//設置命令寄存器PCICR

//D0=IO Space=1:要響應I/O周期

//D1=Memory Space=1:要響應Memory周期

//D2=Master Enable=1:允許做Master

ABit32W=GetConfigReg(ADn,PCI9056_PCICR)|0x07;

//讀原值并置位

SetConfigReg(and,PCI9056_PCICR,ABit32W);

//PCIBAR0:其它寄存器的PCI基址.

SetConfigReg(ADn,PCI9056_PCIBAR0,LRegPBA);

//設置PCI基址，以便能訪問其它寄存器

SetConfigReg(ADn,PCI9056_PCIBAR2,PCIBAddr);

//-----以下用PCI存儲器周期-----------

//1.Space0的局部地址范圍LAS0RR

LROffset=LRegPBA0x001FFFFF;//取局部寄存器PCI基址的位移

ABit32W=～Range+1; //計算范圍值的補碼

SetPCIReg(LROffset,PCI_LAS0RR,Abit32W);

//2.Space0的局部基址LAS0BA

SetPCIReg(LROffset,PCI_LAS0BA,LocBAddr|1);

SetPCIReg(LROffset,PCI_EROMBA,0x38);

//4.Space 0/ROM的局部總線描述符LBRD0（P11-27）

//D1D0=11:Space 0-32Bit數(shù)據(jù)寬度.(復位缺省)

//D5..2=內(nèi)部等待狀態(tài)計數(shù)器.

//D6=1:需要READY#信號.(復位缺省)

//D7=1:允許連續(xù)Burst

//D7=0:Burst-4 Mode (復位缺省)

//D8=0：Space 0允許預取

//D9=0：擴展ROM允許預取

//用缺省值40430043H

SetPCIReg(LROffset,PCI_LBRD0,0x40430043);

ABit32W=GetPCIReg(LROffset,PCI_LBRD0);

if(ABit32W!=0x40430043)

printf("局部總線描述符LBRD0缺省值出錯=%8x",ABit32W);

return;

}

PCI總線上的其它設備身份是動態(tài)變化的，所以對有能力做PCI主設備的，應該配置其局部空間到PCI空間映射的參數(shù)。

結語

PCI局部總線規(guī)范也在更新，向更快更強更省電的方向邁進。時鐘速率由最初的33MHz提高到66MHz，數(shù)據(jù)寬度也由32位擴展到可支持64位，工作電壓從5V轉(zhuǎn)變?yōu)?.3V，使功耗更小?？梢灶A計，嵌入式PCI總線將極大提高機載嵌入式計算機系統(tǒng)的總體性能。