高速PCI總線接口卡的開發(fā)

摘要：從系統(tǒng)的角度介紹高速PCI總線接口卡開發(fā)的整個(gè)過程，其中包括硬件電路的設(shè)計(jì)制作和軟件驅(qū)動(dòng)的開發(fā)。介紹一些從實(shí)際設(shè)計(jì)過程中得出的應(yīng)該注意的細(xì)節(jié)等。

PCI總線技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于形形色色的微機(jī)接口中。同在聲卡、網(wǎng)卡甚至有些顯示都是基于PCI總線技術(shù)的，一些高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中也需要用到PCI總線技術(shù)。PCI總線技術(shù)的出現(xiàn)是為了解決由于微機(jī)總線的低速度和微處理器的高速度而造成的數(shù)據(jù)傳輸瓶勁問題，PCI局部總線是在ISA總線和CPU總線之間增加的一級(jí)總線。由于獨(dú)立于CPU的結(jié)構(gòu)，該總線增加了一種獨(dú)特的中間緩沖器的設(shè)計(jì)，從而與CPU及時(shí)鐘頻率無關(guān)，用戶可以將一些高速外設(shè)直接掛到CPU總線上，使之與其相匹配。PCI局部總線使得PC系列微機(jī)結(jié)構(gòu)也隨之升級(jí)為現(xiàn)在的基于PCI總線的三級(jí)總線結(jié)構(gòu)。PC機(jī)的三級(jí)總線結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1 PCI總線接口卡的開發(fā)

PCI局部總線最顯著的特征是速度快。ISA總線的傳輸速率為5MB/s，EISA總線的傳輸速率為33MB/s，PCI1.0標(biāo)準(zhǔn)定義的總線傳輸速率為132MB/s，PCI2.0標(biāo)準(zhǔn)定義的總線傳輸速率為264MB/s，PCI2.1和PCI2.2標(biāo)準(zhǔn)定義的總線傳輸速率為512MB/s。而新一代PCI-X技術(shù)則在原有PCI總線技術(shù)的基礎(chǔ)上增加了許多新的技術(shù)特征，利用PCI-X技術(shù)可以為千兆以太網(wǎng)卡、基于Ultra SCSI320的磁盤陣列控制器等高數(shù)據(jù)吞吐量的設(shè)備提供足夠的寬帶。1999年P(guān)CISIG（PCI特別興趣小組發(fā)布的PCI-X1.0標(biāo)準(zhǔn)最高可提供1GB/s的傳輸速率，而2003年推出的PCI-X2.0標(biāo)準(zhǔn)則最高可提供4.3GB/s的傳輸速率。

目前，PCI總線接口電路的選擇主要有兩種方案。一種是選用可編輯邏輯器件（PLD）。使用PLD，用戶可以靈活地開發(fā)出適合自己需要的具有特定功能的芯片，但PCI總線協(xié)議比較復(fù)雜，設(shè)計(jì)PCI控制接口難度較大，對(duì)于一般的工程項(xiàng)目來說，成本較大?，F(xiàn)在有許多生產(chǎn)可編程邏輯器件的廠商都提供經(jīng)過嚴(yán)格測試的PCI接口功能模塊，用戶只需進(jìn)行組合即可。另一種是選用PCI專用芯片組（又稱橋接電路），通過專用芯片來實(shí)現(xiàn)完整的PCI主控模塊和目標(biāo)模塊的功能，將復(fù)雜的PCI總線接口轉(zhuǎn)換為相對(duì)簡單的用戶接口，用戶只需設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換后的總線接口。本設(shè)計(jì)中選用PCI總線專用接口芯片來開發(fā)接口卡。

1.1 接口芯片介紹

PCI總線接口電路又分為主控設(shè)備和目標(biāo)設(shè)備。主控設(shè)備可以控制總線，驅(qū)動(dòng)地址、數(shù)據(jù)和控制信號(hào)；目標(biāo)設(shè)備不能啟動(dòng)總線操作，只能依賴于主控設(shè)備從其中讀取數(shù)據(jù)或向其傳送數(shù)據(jù)。主控設(shè)備芯片價(jià)格比較高，目標(biāo)設(shè)備芯片價(jià)格則比較便宜，而且目標(biāo)設(shè)備芯片比較簡單、易于操作。

目前兩大PCI專用接口芯片生產(chǎn)商是AMCC公司和PLX公司。AMCC公司的PCI接口芯片有S5920、S5933、S5935等。S5920是目標(biāo)設(shè)備芯片；S5933既可以設(shè)置為主控設(shè)備芯片，又可以設(shè)置為目標(biāo)設(shè)備芯片；S5935是S5933的改進(jìn)版，同樣既可以設(shè)置為主控設(shè)備芯片，也可以設(shè)置為目標(biāo)設(shè)備芯片。PLX公司在PCI接口芯片的設(shè)置生產(chǎn)中首屈一指，其目標(biāo)設(shè)備芯片產(chǎn)品主要有PCI9030、PCI9052和PCI9050，PCI9050和PCI9052可以運(yùn)用于ISA卡轉(zhuǎn)接PCI的設(shè)計(jì)中，PCI9030是專門為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的；主控設(shè)備芯片產(chǎn)品主要有PCI9054、PCI9080和PCI9060，PCI9060是最早的32位主控設(shè)備芯片，PCI9080是PCI9060的后繼產(chǎn)品，而PCI9054則是一種性價(jià)比很高的芯片，其性能比PCI9080、PCI9052更優(yōu)越。

由于主控設(shè)備芯片比較復(fù)雜，而且價(jià)格昂貴，所以對(duì)處理速度和傳輸速度要求不是特別高的場合應(yīng)盡量選用目標(biāo)設(shè)備芯片。本設(shè)計(jì)中選用PLX公司的PCI9052目標(biāo)設(shè)備芯片來設(shè)計(jì)PCI接口電路。

1.2 PCI9052介紹

PCI9052是PLX公司繼PCI9050之后推出的低成本、低功耗、32位PCI總線接口芯片，利用它可以使局部總線快速轉(zhuǎn)換到PCI總線上。

PCI9052芯片的設(shè)計(jì)符合PCI2.1規(guī)范。它支持低成本從屬適配器，其局部總線可根據(jù)需要配置成復(fù)用或非復(fù)用模式的8、16或32位的局部總線。PCI總線側(cè)的時(shí)鐘頻率范圍為0～33MHz，局部總線與PCI總線的時(shí)鐘相互獨(dú)立，局部總線的時(shí)鐘頻率范圍為0～40MHz，兩種總線的異步運(yùn)行方便了高低速設(shè)備的相互兼容。PCI9052芯片內(nèi)部有一個(gè)64字節(jié)的寫FIFO和一個(gè)32字節(jié)的讀FIFO，通過讀寫FIFO，可實(shí)現(xiàn)高性能的突發(fā)式數(shù)據(jù)傳輸，也可以進(jìn)行連續(xù)的單周期操作。

1.3 硬件設(shè)計(jì)

由于PCI9052屬于目標(biāo)設(shè)備芯片，只能依賴于主控設(shè)備從其中讀取數(shù)據(jù)或向其傳送數(shù)據(jù)，所以需要一個(gè)微處理器對(duì)通過PCI9052從PCI總線發(fā)送到局部總線的命令作出處理響應(yīng)，或者把用戶想要傳送的數(shù)據(jù)以中斷的方式通知PCI總線來讀取。本設(shè)計(jì)中微處理器選用TI公司的C2000系列的16位DSP芯片TMS320LF2407。

TMS320LF2407是TI公司推出的定點(diǎn)DSP處理器，是一款性價(jià)比較高的芯片。它采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，供電電壓為3.3V,指令周期可達(dá)25ns，片內(nèi)有高達(dá)32K字的FLASH程序存儲(chǔ)器、1.5K字的數(shù)據(jù)/程序 RAM、544字雙口RAM（DARAM）和2K字的單口RAM（SARAM），可以分別擴(kuò)展64K字外部程序存儲(chǔ)器、64K字外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和64K字I/O尋址空間；片內(nèi)還集成了包括CAN控制器在內(nèi)的多個(gè)外圍模塊及存儲(chǔ)器，可以運(yùn)用于電機(jī)及逆變電路的控制中；10位16通道的A/D轉(zhuǎn)換器最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為500ns；內(nèi)部自帶看門狗定時(shí)器模塊（WDT）和16位的串行外設(shè)接口模塊（SPI）。另外，該芯片有高達(dá)40個(gè)可單獨(dú)編程或復(fù)用的通用輸入/輸出引腳、一個(gè)串行通信接口（SCI）、一個(gè)并口和5個(gè)外部中斷。目前投入市場試用的C2000系列的32位DSP芯片TMS320LF2812采用的是150MHz的時(shí)鐘速率，其指令周期只為6.7ns，存儲(chǔ)器可以擴(kuò)展到1M，速度更快，功能更強(qiáng)大。

PCI接口卡硬件總體設(shè)計(jì)如圖2所示。圖中，DB代表數(shù)據(jù)總線，AB代表地址總線，CB代表控制總線。