一種8路串口轉(zhuǎn)換PCI總線的設計方案

1 引言

隨著Internet的發(fā)展，越來越多的計算機或設備通過串口通信方式接入網(wǎng)絡，實現(xiàn)信息共享和設備的集中控制和管理。多端口擴展已成為通信設備接入的重要環(huán)節(jié)。利用串口進行通信具有結(jié)構(gòu)簡單，線路成本低的優(yōu)點，廣泛應用于各個領域。而PCI總線，即外圍器件互連總線，是目前應用最廣泛、最流行的一種高速同步總線。由于大部分I/O設備是沒有PCI總線功能的，開發(fā)多端口通用串口和PCI總線的接口卡也就成為技術發(fā)展的必然要求。本系統(tǒng)采用專用芯片XR17D158開發(fā)了基于PCI總線的8路RS-232高速串行通訊卡,為通信設備提供額外的高性能串行接口，適用于連接各類串行設備。

2系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件主要包括主芯片XR17D158、8路UART接口和串行配置寄存器EEPROM。2.1 XR17D158模塊介紹

在很多通信系統(tǒng)中，對信號傳輸?shù)膸捄退俣扔泻芎芨叩囊螅鳳CI總線非常適合將高速信號經(jīng)接口芯片和主機橋接在一起。本文采用Exar公司推出的一種兼容3.3V和5V的PCI總線UART芯片XR17D158, 它具有PCI接口和UART結(jié)構(gòu)，滿足PCI2.3規(guī)范，工作頻率為33MHz，32位的數(shù)據(jù)總線可以充分利用CPU帶寬，傳送/接收更多數(shù)據(jù)，支持8個通道UART轉(zhuǎn)換PCI，減少系統(tǒng)開銷、節(jié)約了電路板空間。為下載CPU的處理信息，每一個通道都擁有帶可編程觸發(fā)電平的64字節(jié)發(fā)送/接收緩沖FIFO，可分別以高達921.6kbps的速率對波特率進行編程。

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2.2 XR17D158寄存器配置

XR17D158具有三組不同的寄存器。

(1)PCI局部總線配置空間寄存器 PCI插卡插入系統(tǒng)后，系統(tǒng)BIOS將根據(jù)讀到的插卡信息并結(jié)合系統(tǒng)情況為插卡分配存儲地址、端口地址和中斷等信息，實現(xiàn)即插即用的自動配置，從而免除了人工操作，這些信息都保存在外接的EEPROM中，在上電時XR17D158會檢測EEPROM是否有效，系統(tǒng)以此來標識PCI卡；

(2)設備配置寄存器 提供從PCI數(shù)據(jù)總線向每一UART通道的接收/發(fā)送數(shù)據(jù)FIFO緩沖存儲器的傳輸方式，它提供了對UART傳輸和各種功能狀態(tài)的監(jiān)控。寄存器占用4k PCI總線存儲器地址空間。這些地址由基址加上偏移量得到，偏移量保存在PCI局部總線配置寄存器的BAR寄存器0x10[31:12]。這些寄存器控制或監(jiān)控所有8通道UART的功能狀態(tài)信息，包括中斷控制和狀態(tài)，16位通用定時器控制和狀態(tài)，多用途輸入/輸出控制和狀態(tài)，休眠模式控制，軟復位控制以及設備標識和版本號信息等等；

(3)UART[7:0]配置寄存器 每路UART通道都有內(nèi)部UART配置寄存器作為串行數(shù)據(jù)傳輸控制和狀態(tài)信息指示，所有8組通道寄存器嵌入設備配置寄存器空間，其寄存器配置偏移地址為：UART[M]＝0x00N00，其中M表示通道序號，N＝2×M。

XR17D158有8路UART[7:0]，每路通道都有深度為64的發(fā)送/接收緩沖FIFO，符合16550規(guī)范的控制/狀態(tài)寄存器以及為每路UART通道提供發(fā)送/接收時鐘的波特率發(fā)生器。

每路通道都有單獨的具有預分頻的可編程波特率發(fā)生器（BRG），用以獲得16X或8X的串口數(shù)據(jù)接收/發(fā)送的采樣時鐘。預分頻系數(shù)可由軟件在MCR寄存器中設置，MCR[7]＝0，預分頻系數(shù)為1；MCR[7]＝1，預分頻系數(shù)為4。經(jīng)過預分頻得到的時鐘還要經(jīng)過內(nèi)置的分頻器分頻，以獲得所需要的發(fā)送/接收時鐘信號，其中分頻器的分頻系數(shù)由每路UART通道的DLM和DLL寄存器編程得到，波特率由下面公式計算得到：

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假設外部輸入時鐘為14.7456MHz，通過相應的寄存器設置，使RS－232通道得到最大波特率921.1kps。編程過程如下：

（1）使能DLM，DLL寄存器 寫入0x80到相應UART通道的LCR寄存器；

（2）分頻系數(shù)確定 設置DLM＝00，DLL＝01；

（3）設定預分頻系數(shù)相關寄存器MCR

a.使能MCR[7:5] 設置UART通道EFR寄存器EFR[4]＝1；

b.預分頻系數(shù)的設定 設置MCR[7]＝0；

c.鎖存MCR寄存器設置 設置EFR[4]＝0；

2.3 8路UART和XR17D158接口設計

由于RS－232的TTL電平與芯片的CMOS電平不兼容，所以兩者之間需要加電平轉(zhuǎn)換電路。本系統(tǒng)采用TI公司的MAX3238芯片實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換及串口通信功能；兼容5V邏輯輸入，內(nèi)含3路接收、5路發(fā)送串行通信接口，最大數(shù)據(jù)傳輸速率可達250Kbps。具有低功耗、高數(shù)據(jù)速率、增強型ESD保護等特性。

XR17D158的UART接口就像一個8位的輸入和輸出端口，它可以從發(fā)送緩沖FIFO或者接收緩沖FIFO中讀寫數(shù)據(jù)。當主機有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，它只需將數(shù)據(jù)按字節(jié)格式（8位寬）發(fā)送到UART即可。當UART接收到來自外部串行設備的數(shù)據(jù)時，會把數(shù)據(jù)緩存在其FIFO中（同樣是8位寬），然后通過一個內(nèi)部寄存器位或硬件中斷信號向主機指示該數(shù)據(jù)已可以使用。另外，XR17D158的UART接口還具有完整的調(diào)制解調(diào)控制功能，包括：容許發(fā)送（CTS）；請求發(fā)送（RTS）；數(shù)據(jù)設備準備好（DSR）；數(shù)據(jù)終端準備好（DTR）；振鈴指示（RI）；載波檢測（DCD）。本文只給出了一路UART和主芯片接口，其他幾路類似。

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2.4 UART接口工作過程

發(fā)送數(shù)據(jù)過程 有效數(shù)據(jù)（64位）由主機寫入接口中的輸入緩沖FIFO寄存器，當發(fā)送保持寄存器（THR）清空標志位ISR[1]＝1，表示發(fā)送緩沖FIFO中的數(shù)據(jù)減少到滿足設定的觸發(fā)中斷條件而引起中斷，在輸出移位寄存器（TSR）中，由發(fā)送控制邏輯在待發(fā)送數(shù)據(jù)加上起始位、奇偶校驗位和停止位，并按設定的時鐘頻率逐位移出數(shù)據(jù)。

接收數(shù)據(jù)過程 接收移位寄存器（RSR）使用16×或8×時鐘作為定時器，當檢測到起始位下降沿時，將計數(shù)器清零，并開始采用時鐘計數(shù)，當計數(shù)器計到8或4時，表示已到達起始位的中間位置，此時采樣值仍為0，說明是真正的起始位，余下的數(shù)據(jù)位和停止位隨后也被采樣。如果停止位采樣正確（采樣值為1），則字符被接收，并裝入接收保持寄存器（RHR），如果接收到的數(shù)據(jù)未達到設定的FIFO觸發(fā)條件，RHR產(chǎn)生以接收數(shù)據(jù)準備好中斷（ISR[2]＝1），同時流向控制信號RTS# / DTR#繼續(xù)保持有效，允許UART接口繼續(xù)接收外部串行數(shù)據(jù)。

PCI總線接收/發(fā)送數(shù)據(jù)

XR17D158支持在映射的存儲器地址進行PCI突發(fā)模式讀/寫，接收緩沖FIFO和發(fā)送緩沖FIFO可以對這些獨立的存儲器進行讀/寫，這些存儲器地址可以通過計算得到：M=2N+1，其中N為UART通道序號。

主機利用PCI總線從XR17D158的接收緩沖FIFO讀取數(shù)據(jù)一般有兩種方式：查詢方式和中斷方式。無論采取哪種方式，在讀取緩沖FIFO數(shù)據(jù)之前必須先讀取設備的配置寄存器中設備ID寄存器（DVID），得到確認之后帶有狀態(tài)的FIFO寄存器中的數(shù)據(jù)才能被讀取。如果在這過程中，還有其他UART通道寄存器數(shù)據(jù)需要被讀取，必須重復讀取設備ID寄存器（DVID），確認UART通道類型，再進行其他操作。這兩種實現(xiàn)方式編程步驟如下：

(1)查詢方式

a.讀取線路狀態(tài)寄存器（LSR）

b.讀取設備號（DVID）

c.讀取帶有狀態(tài)信息的FIFO數(shù)據(jù)

(2)中斷實現(xiàn)方式

a.讀取全局中斷寄存器INT0（地址0x080）

b.讀取INT1,INT2,INT3寄存器用以確定中斷通道（地址0x081－0x083）

c.讀取設備號（DVID）

d.讀取帶有狀態(tài)信息的接收FIFO數(shù)據(jù)

特別注意的是，當主機讀取接收到的帶有線路狀態(tài)寄存器（LSR）信息的數(shù)據(jù)時，主機必須以16位或32字節(jié)的形式讀取數(shù)據(jù)，這樣做的目的是為了保證帶有差錯標記的數(shù)據(jù)的完整性。

3 驅(qū)動程序設計

基于Windows NT串口通信驅(qū)動程序設計中，應用較廣泛的有：利用MSCOMM控件進行編程；利用Windows API函數(shù)進行設計。串口通信Microsoft Communications Control（簡稱為MSComm）是Microsoft公司提供的簡化Windows下串行通信編程的ActiveX控件，它為應用程序提供了通過串行接口收發(fā)數(shù)據(jù)的簡便方法。MSComm控件通過串行端口傳輸和接收數(shù)據(jù)，為應用程序提供串行通訊功能。而用Windows API通信較為復雜，其中要涉及到對Windows內(nèi)核機制的理解，但Windows API函數(shù)用于串口操作流程可以擴展到其他硬件的操作上。本設計選用Windows API函數(shù)來實現(xiàn)串口操作。

非標準串行驅(qū)動在I/0管理器中被注冊，以COM5,COM6,COM7……COM12來命名，對應于XR17D158的CH0,CH1,CH3,……CH7。一般不采用COM1,COM2,COM3,COM4，因為這些端口有可能被其他串口通信設備占用。根據(jù)WINDOWS NT DDK，我們可以發(fā)現(xiàn)，通信口在COM9以上命名的，必須以“\\.\COM10”來定義，我們在寫串口驅(qū)動程序時，首先要調(diào)用windows API函數(shù)CreateFile打開相應的串行口。下一步使用文件句柄訪問硬件設備，通信完成時用CloseHandle關閉串行口。以下是兩個關鍵成員函數(shù)，一個是打開串口函數(shù)，另外一個是簡單串口讀/寫函數(shù)。

(1)打開串口函數(shù)

PortHandle=NULL;//初始化端口

If(cPortNo=9)

ComName.Format(“COM%d”,cPortNo);

Else

ComNamel.Format(“\\.\COM%d”,cPortNo);

//如果串口序號大于9則以“\\.\COM10”來定義

If((PortHandle=CreateFile(ComName,GENERIC_READ|GENERIC_WRITE,0,0,OPEN_EXISTING,FILE_FILE_

FLAGE_OVERLAPPED,0))= =INVALD_HANDLE_VALUE //非重疊讀/寫端口

{

DWORD err=GetLastError();

Return(NULL); //端口建立失敗

}

Else

{

//端口建立成功，初始化端口，對端口進行操作

}

(2)串口讀/寫函數(shù)

//讀數(shù)據(jù)到緩沖區(qū)

ReadFile（PortHandle,(LPVOID)IpReadBuff,dwFileSize,dwBytesRead,osRead）;

//寫操作

Int bResult=WriteFile(PortHandle,(LPVOID)IpWriteBuff,dwBytesToWrite,dwBytesWritten,osWrite) //重疊IO寫操作

函數(shù)中各參數(shù)定義如下：PortHandle,為待操作串口，(LPVOID)IpReadBuff數(shù)據(jù)讀緩沖區(qū)，dwFileSize待讀字節(jié)數(shù)，dwBytesRead讀取字節(jié)數(shù)，osRead溢出緩沖區(qū)；,(LPVOID)IpWriteBuff數(shù)據(jù)寫緩沖區(qū)，dwBytesToWrite待寫字節(jié)數(shù)，dwBytesWritten已經(jīng)寫入字節(jié)數(shù)，osWrite溢出緩沖區(qū)。

4 結(jié)論

本文提供了一種8口UART串口轉(zhuǎn)換PCI總線的方法，介紹了硬件的實現(xiàn)和驅(qū)動程序的實現(xiàn)。經(jīng)測試該適配卡工作穩(wěn)定，性能可靠，波特率最高可達921.6kb/s，吞吐量達700kb/s，達到了預期設計目標，可廣泛應用于POS機，系統(tǒng)監(jiān)控，便攜式通訊等系統(tǒng)。

本文作者創(chuàng)新點：利用XR17D158芯片實現(xiàn)PCI總線和 8路串口之間的通信，該適配卡結(jié)構(gòu)緊湊，通信距離可達15米，實現(xiàn)了PnP（即插即用）功能，驅(qū)動程序可在Windows /98/2000/ME/XP使用，最多可支持接8個設備的通訊，解決了大部分I/O設備沒有PCI總線接口的問題。