基于接口芯片的PCI總線接口卡的設計

1、引言

　　作為對PCI總線在儀器領(lǐng)域的擴展，PXI總線由于具有高性能、低價位等特點，使其在數(shù)據(jù)采集、工業(yè)自動化系統(tǒng)、計算機機械觀測系統(tǒng)和圖像處理等方面獲得了廣泛應用。

　　但是PXI總線協(xié)議十分復雜，其接口的實現(xiàn)比ISA困難得多，直接為它設計相匹配的數(shù)字邏輯控制電路難度很大。特別是對于那些沒有PCI板卡設計經(jīng)驗的人來說，要想直接設計出能滿足要求的PXI模塊幾乎是不可能的事。而PXI總線的電氣規(guī)范大部份跟PCI相同，只是增加了一些儀器特性?；谝陨峡紤]，我們決定通過設計一個PCI接口卡來系統(tǒng)地了解利用接口芯片PCI 9030開發(fā)PXI模塊的過程和方法。

2、硬件設計

　　目前實現(xiàn) PCI 接口的方法主要是采用可編程邏輯器件或采用專用接口芯片。為降低難度，縮短開發(fā)時間 ，我們決定采用專用接口芯片來進行接口的開發(fā)。因為我們的最終目的是開發(fā)PXI模塊，所以我們選用了符合PXI性能要求的接口芯片PCI 9030。PCI 9030 是 PLX 公司開發(fā)的一種為擴展適配卡推出的高性能目標接口芯片，其符合 PCI2.2 規(guī)范，3.3V 核心電壓，低功耗，176 引腳 PQFP 或180 引腳 BGA 封裝，本地總線可以設置為 8 位、16 位、32 位復用和非復用模式。

　　在我們原來的性能測試系統(tǒng)中，功率計模塊是基于ISA總線的插件，端口地址是ox100-ox107,數(shù)據(jù)總線寬度是8位，具有輸入輸出功能。我們要設計的接口卡所實現(xiàn)的功能相當于一個從ISA總線到PCI總線的轉(zhuǎn)接卡。PCI 9030作為一種橋接芯片，提供了PCI總線、EEPROM和ISA總線三個接口，下面分別介紹各部分的接口電路：

　　第一部分是PCI9030與PCI總線的接口。這些信號包括地址數(shù)據(jù)復用信號AD[31:0]、總線命令和字節(jié)使能信號C/BE[3:0]、奇偶校驗信號(PAR), 幀周期信號(FRAME#)、主設備準備好信號(IRDY#), 從設備準備好信號(TRDY#),停止數(shù)據(jù)傳送信號(STOP#),初始化設備選擇信號(IDSEL), 設備選擇信號(DEVSEL#)、數(shù)據(jù)奇偶校驗錯誤報告信號(PERR#)、系統(tǒng)錯誤報告信號(SERR#)、時鐘輸入信號(CLK),復位信號(RST#)、中斷信號(INTA#)等。電路連接中，把兩邊對應的管腳相連就行，中間不需要用電阻隔離。

　　第二部分是PCI9030與EEPROM的接口。EEPROM選用NATIONAL公司的NM93CS66L；它是一個4K的低電壓串行存儲器，用來存儲PCI9030的配置信息并在芯片復位時進行加載，從而使PCI板卡具有即插即用的功能。PCI9030有四根信號線用于與EEPROM的連接：EESK, EEDO, EEDI和EECS。

第三部分是PCI9030與ISA總線的接口。

　　ISA總線功率計模塊的主要信號只涉及到I/0,且為8位寬的數(shù)據(jù)總線，數(shù)據(jù)傳輸只用到端口讀寫信號IORD#和IOWR#，用A0-A9作為地址譯碼。在接口芯片的本地端中我們采用非復用模式，地址和數(shù)據(jù)總線都是8位，所以只需選擇LA2、LBE0和LBE1進行地址譯碼就可以了。

3、EEPROM的配置

　　PCI總線能實現(xiàn)“即插即用”是因為它具有一個配置空間。當計算機啟動時，BIOS會對每個PCI卡的配置空間進行訪問，即自動加載EEPROM內(nèi)容來獲取各個PCI卡的配置信息，并根據(jù)這些信息進行資源分配。配置空間是PCI所特有的一個空間，所有的PCI設備必須提供配置空間。

　　對EEPROM的配置要根據(jù)具體的硬件設備來進行，其配置的正確與否是硬件設備能否正常工作的關(guān)鍵。下面以我所做的接口卡的串行EEPROM內(nèi)容為例進行介紹。

　　首先介紹PCI配置寄存器的配置方法。主要是填寫器件ID號、供應商ID號、類碼、子系統(tǒng)ID號和子系統(tǒng)供應商ID號等。對于PCI9030，其器件ID號為9030, 供應商ID號為lOB5 ,子系統(tǒng)ID號為9030,子系統(tǒng)供應ID號為10B5，類碼號為0680，表示其為橋設備中的其它橋設備類。另外，由于使用到中斷INTA#，所以在中斷寄存器中要將其值設為0100。

　　其次介紹本地配置寄存器的配置方法。PCI9030本質(zhì)上是一個橋設備，它的作用是把對某一段PCI總線地址空間的各種操作(包括讀、寫等)轉(zhuǎn)換為相應的本地地址總線的操作。由于在接口卡的本地總線中只用到I/O地址空間，所以我們只需對本地地址空間1的相關(guān)寄存器進行配置就行了。本地空間1范圍寄存器的值為oxFFFFFFF9，表示I/O空間大小為8個字節(jié), bit0為1表示此空間被映射為I/O空間；本地空間1基地址寄存器的值為ox00000101，表示空間1的基地址為ox100, bit0為1表示空間1使能；本地空間1描述寄存器的值為ox00000022,表示本地空間1的數(shù)據(jù)總線寬度為8位。本地片選寄存器1的值是ox00000105,表示當本地地址落在ox100-ox107內(nèi)時，片選信號CS1#有效以用來選擇本地總線上的外圍設備。對于其它值的含義可參考PCI9030的數(shù)據(jù)手冊，這里就不再一一介紹。圖2是PLXmON界面下EEPROM的配置窗口。

4、板卡調(diào)試

　　板卡做好后，就可以插入計算機的PCI插槽進行調(diào)試。如果硬件電路設計正確，在自檢過程中，可以在屏幕上看到系統(tǒng)查找到的PCI設備，并且顯示出設備的DID和VID等相關(guān)信息。在系統(tǒng)正常啟動后，會提示“發(fā)現(xiàn)新硬件”，并要求用戶安裝相應的驅(qū)動程序，跳過以后就可以配置EEPROM進而開始調(diào)試。對EEPROM的編程有兩種方法：一是先用專門的燒錄器把數(shù)據(jù)下載到EEPROM再插入板卡中，這種方法修改起來比較麻煩；二是用專用的軟件在線寫，如PLX公司提供的專用調(diào)試軟件PLXmon。PLXmon具有以下功能:PCI總線的探測與選擇；配置寄存器的檢查和修改；內(nèi)存空間的顯示、修改和填充;EEPROM內(nèi)容的讀寫等。利用這個工具，我們可以隨時對EEPROM的內(nèi)容進行在線修改，大大提高了效率。值得注意的是每次修改完EEPROM都要對系統(tǒng)進行重啟，使PCI配置寄存器和本地空間配置寄存器能夠重新加載新的值。

5、驅(qū)動程序的編寫

　　在板卡調(diào)試完成后，需要編寫驅(qū)動程序。驅(qū)動程序的開發(fā)工具很多，但是多數(shù)需要了解操作系統(tǒng)的核心工作機制，難度比較大。經(jīng)過比較，我們采用了Jungo公司的WinDriver進行驅(qū)動程序的開發(fā)。利用WinDriver我們不必熟悉操作系統(tǒng)的內(nèi)核知識就可以快速開發(fā)出驅(qū)動程序，它對于硬件調(diào)試也是一個很好的幫助工具。

　　用WinDriver開發(fā)PCI設備驅(qū)動程序一般有兩種方法:一種是使用向?qū)?Driver Wizard), Driver Wizard能夠自動生成驅(qū)動程序的框架代碼，我們只需修改代碼，加入定制的功能，再在用戶態(tài)執(zhí)行和調(diào)試代碼就行；另一種是直接在應用程序中調(diào)用WinDriver的API函數(shù)。

我們在開發(fā)驅(qū)動程序中采用的是前一種方法，其基本流程如下:

　　a. 打開Driver Wizard，在Card InformATIon的設備列表中選中自己的設備，如圖3，點擊“Generate .INF file”生成安裝信息文件；

　　b. 點擊“下一步”，進入WinDriver 資源定義與測試界面中，如圖4, 調(diào)試列出的I/O、內(nèi)存等資源，并定義必要的工作寄存器，如PCI卡上的一些配置寄存器；

　　c. 點擊“Generate Code"，選擇VC編譯器作為自己的開發(fā)語言環(huán)境，此時將生成針對硬件設備的文件，包括代碼文件、說明文件以及適用于VC編譯器的項目文件。

　　最后，對向?qū)Мa(chǎn)生的設備驅(qū)動代碼框架中添加自己的代碼，編譯連接后就可以生成對設備進行診斷的控制臺程序了。

6、結(jié)束語

　　本文作者創(chuàng)新點：在以往的接口卡設計中，對于實現(xiàn)ISA總線向PCI總線轉(zhuǎn)換的方法都是采用帶ISA接口的接口芯片，如PCI9052，這可以大大簡化開發(fā)PCI設備的過程。由于課題需要，我們選用了一種不帶ISA接口的接口芯片-----PCI9030制作了一個PCI接口卡。經(jīng)反復調(diào)試，該接口電路能夠順利地完成數(shù)據(jù)傳輸，已經(jīng)成功地實現(xiàn)PCI總線與外設的連接，這一方面驗證了用專用接口芯片實現(xiàn)PCI總線接口在技術(shù)上的可行性，另一方面也為下一步開發(fā)PXI模塊打下良好基礎。

　　同時，本文中對接口卡的硬件電路連接、EEPROM的配置、驅(qū)動程序的編寫等方面都作了比較詳細的介紹，這對于那些初次接觸PCI總線開發(fā)的人有一定的指導意義。