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。

圖2

    PCI9052的PCI總線直接與金手指連接，局部總線與DSP之間的數(shù)據(jù)傳輸在雙端口RAM中實(shí)現(xiàn)。雙端口RAM采用兩片CYPRESS公司的雙端口RAM芯片CY7C131，組成16位存儲(chǔ)轉(zhuǎn)接電路PCI9052和CY7C131供電電壓均為5V，而TMS320LF2407供電電壓為3.3V,所以接口電平不匹配，需要加總線電平轉(zhuǎn)換電路，這里選用16位總線傳送接收器74FCT64245來實(shí)現(xiàn)。PCI9052的控制信號(hào)和TMS320LF2407的控制信號(hào)之間的邏輯轉(zhuǎn)換用一片ALTERA公司的PFGA芯片EPM7032LC44來實(shí)現(xiàn)。

TMS320LF2407的外圍電路可以根據(jù)需要擴(kuò)展。由于TMS320LF2407內(nèi)部自帶32K字的FLASH程序存儲(chǔ)器，程序調(diào)試完畢后可以燒寫進(jìn)去，但程序調(diào)試過程中需要頻繁修改程序，所以可展一片存儲(chǔ)器，調(diào)試程序時(shí)當(dāng)作程序存儲(chǔ)器用，程序調(diào)試完畢后再作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用，這樣既方便又實(shí)用。TMS320LF2407有一個(gè)串行通信接口和一個(gè)16位并行通信接口，串口可以做成RS485、RS232、RS422、SDI總線接口等，并行通信接口可以做成16位并行輸入輸出接口。

1.4 電路板制作

(1)在連線上只要將對應(yīng)的引腳連在總線上就可以了。由于信號(hào)用的是反射波信號(hào)，所以驅(qū)動(dòng)的信號(hào)只用了要求電壓的一半，另一半靠反射來提升，所以對信號(hào)線的長度有要求：CLK信號(hào)線的長度為2500mil±100mil。如果長度不夠可以畫蛇行線，另外 ，CLK信號(hào)線要用地線屏蔽。

(2)PCI總線規(guī)范要求布四層線，也可以只布兩層線。布兩層線時(shí)，走線難度增大，要做好電源退耦。每個(gè)Vcc引腳必須有退耦電容，且容量的平均值至少為0.01μF,從引腳根部到電容焊盤的走線長度不大于250mil，線寬至少為20mil，多個(gè)引腳可以并用一個(gè)電容，并且參與共用的引腳數(shù)不受限制，但必須滿足以上條件。

(3)PCI總線信號(hào)PRSNT1#的PRSNT2#中必須有一個(gè)接地。如果都不接地，系統(tǒng)找不到開發(fā)板。它們接地有兩個(gè)用途，其一，用來表明槽位上實(shí)際存在一塊板；其二，提供該板對電源要求的有關(guān)信息。表1給出了PRSNT#引腳的設(shè)備情況。

表1 PRSNT#引腳的設(shè)置情況

(4)對于不實(shí)現(xiàn)JTAG邊界掃描的板子，必須把引腳TDI和TDO連接起來，以使掃描鏈不至于斷開。

(5)PCI連接器上的3.3V引腳（即使實(shí)際使用中未提供電流）在母板上必須連到一起，最好連到一個(gè)3.3V的電源平面上。而且，對3.3V引腳應(yīng)提供一個(gè)交流回路，這時(shí)對地去耦應(yīng)符合高頻信號(hào)技術(shù)的要求。為此，應(yīng)在3.3V平面上均勻排列12個(gè)高速電容，容易為0.01μF。

(6)為了穩(wěn)定性，局部總線除了少數(shù)有特殊要求外，所有的信號(hào)線都應(yīng)加上拉電阻(5kΩ～10 kΩ)或下拉電阻（一般選150kΩ）。

(7)為防止干擾，局部總線時(shí)鐘也應(yīng)對地屏蔽。

(8)串行EEPROM提供PCI總線和局部總線的部分重要配置信息，EEPROM一定要選支持串行傳輸方式的，如NM93CS46或者與之兼容的存儲(chǔ)器。NM93C46不支持串行讀寫，所以不能選取。NM93CS46的CS、SK、SDI、SDO和PE端都要接10kΩ的上拉電阻，而PRE端要接150kΩ的下拉電阻。EEPROM的配置至關(guān)重要，EEPROM配置不正確可能導(dǎo)致操作系統(tǒng)無法運(yùn)行。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)檢測EEPROM的開始48拉是否全為“1”，若全為“1”，則載入PCI9052的默認(rèn)配置；否則則裝載EEPROM中的內(nèi)容，為板卡分配資源。串行EEPROM可以通過PCI總線直接寫入，也可以用編程器直接燒寫。

1.5 程序調(diào)試

1.5.1 FPGA程序的開發(fā)

可編程器件的設(shè)計(jì)軟件種類很多，各大器件廠家及一些軟件公司都開發(fā)了一些設(shè)計(jì)軟件。軟件的設(shè)計(jì)根據(jù)邏輯功能的描述方法可分為語言描述設(shè)計(jì)和原理圖描述設(shè)計(jì)兩個(gè)類。常見的如DATA I/O公司的ABEL語言、四通公司ASIC事業(yè)部開發(fā)的針對GAL器件的FM（Fast MAP）軟件等屬于語言描述類設(shè)計(jì)軟件；而DATA I/O公司的Synario軟件、Orcad公司的PLD等軟件屬于電路圖描述或電路圖描述與語言描述相結(jié)合設(shè)計(jì)的軟件。

本設(shè)計(jì)中FPGA的編程只涉及到信號(hào)邏輯轉(zhuǎn)換，所以只需選用語言描述類設(shè)計(jì)軟件，這里選用DATA I/O公司的ABEL語言描述設(shè)計(jì)軟件。程序調(diào)試結(jié)束后用編程器寫入FPGA芯片即可。

1.5.2 DSP程序開發(fā)

TI公司提供了DSP專用仿真器和仿真開發(fā)系統(tǒng)，C2000系列的開發(fā)系統(tǒng)最新版本為CCS2.2。對于不同的仿真器，只要安裝驅(qū)動(dòng)程序即可使用該開發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。仿真器選用最新款的帶USB接口的ICETEK51000USBV2.0仿真器。由于該仿真器使用USB接口，所以不需外接供電電源，實(shí)用又方便。

由于硬件設(shè)計(jì)時(shí)擴(kuò)展了可轉(zhuǎn)換的存儲(chǔ)器，進(jìn)行仿真時(shí)把存儲(chǔ)器接成程序存儲(chǔ)器，程序可以直接轉(zhuǎn)載到擴(kuò)展的存儲(chǔ)器中進(jìn)行調(diào)試，免去了往FLASH中燒寫的麻煩，程序調(diào)試完畢后再固化到FLASH中。

2 PCI總線接口卡的軟件驅(qū)動(dòng)開發(fā)

PCI卡的硬件調(diào)試需要結(jié)合軟件程序的調(diào)試來完成。PCI卡的驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)有多種途徑，驅(qū)動(dòng)開發(fā)工具也有多種選擇。

2.1 驅(qū)動(dòng)開發(fā)工具的選取

(1)DDK(Driver Device Kit)

許多VMM服務(wù)都使用寄存器的調(diào)用方式，使用起來不是很方便，沒有4深厚的匯編語言及硬件基礎(chǔ)很難在短時(shí)間內(nèi)開發(fā)出設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。Micorosoft公司提供了設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序工具箱（DDK），它是基于匯編語言的編程方式的，DDK的優(yōu)點(diǎn)是可以開發(fā)核心態(tài)的真正意義上的驅(qū)動(dòng)程序，開發(fā)出來的驅(qū)動(dòng)程序效率是最高的。

(2)DS(Driver Studio)

DS是一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序集成開發(fā)包，其中包括了DriverAgent、VtoolsD、DriverWorks、SoftICE Driver Edition、BoundsChecker Driver Edition、DriverWorkbenc、FieldAgent for Drivers等。幾中常見的DS驅(qū)動(dòng)開發(fā)工具介紹如下：

·Drivergent為Win32應(yīng)用程序提供了訪問硬件的接口。

·VtoolsD支持Windows95和Windows98的驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)（VxD）。VtoolsD包括代碼生成器、實(shí)時(shí)接口庫和可以作為開發(fā)一類驅(qū)動(dòng)程序的例子程序。

·DriverWorks包括為Windows NT和Win32 Driver Model(WDM)開發(fā)驅(qū)動(dòng)程序的完整的開發(fā)框架，同時(shí)也支持Windows98和Windows2000下驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)。DriverWorks包含一個(gè)復(fù)雜的代碼生成工具（Driver Wizard），其中含有支持C++下編程的類庫和例子程序。

(3) WinDriver

WinDriver是KRF-Tech公司的一套PCI驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)包。它改變了傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)的方法和思路，極大地簡化了驅(qū)動(dòng)程序的編制；同時(shí)又沒有犧牲驅(qū)動(dòng)程序的性能，是一套高效、快捷的PCI驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)軟件包，特別適合專業(yè)硬件人員使用。

利用WinDriver開發(fā)驅(qū)動(dòng)程序不需要熟悉操作系統(tǒng)的內(nèi)核，整個(gè)驅(qū)動(dòng)程序中的所有函數(shù)都是工作在用戶態(tài)下的，通過與WinDriver的.Vxd或者.Sys文件交互可達(dá)到驅(qū)動(dòng)硬件的目的。由于是一個(gè)用戶態(tài)程序，效率的高低也就成了人們選擇WinDriver時(shí)關(guān)心的問題。大量實(shí)踐數(shù)據(jù)表明，WinDriver并沒有通過犧牲系統(tǒng)性能來換取驅(qū)動(dòng)程序的快速開發(fā)。本設(shè)計(jì)中選用WinDriver來開發(fā)驅(qū)動(dòng)程序。

2.2 WinDriver開發(fā)驅(qū)動(dòng)程序

在WinDriver的體系結(jié)構(gòu)中，WinDriver Kernet處于中心位置，它提供的用戶態(tài)庫函數(shù)（API）實(shí)際就是對WinDriver Kernel中實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行調(diào)用。幾乎所有用戶同硬件的交互都是通過WinDriverKernel來實(shí)現(xiàn)的，這樣就極大地解放了開發(fā)人員。用戶的主要任務(wù)就是利用WinDriver提供的用戶動(dòng)態(tài)函數(shù)庫（API函數(shù)庫）在用戶態(tài)實(shí)現(xiàn)自己的驅(qū)動(dòng)程序代碼，完成硬件驅(qū)動(dòng)的功能。

基于WinDriver的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序主要分為驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序兩部分。利用DriverWizard生成.inf驅(qū)動(dòng)程序，安裝該驅(qū)動(dòng)程序后，系統(tǒng)就根據(jù)EEPROM中的配置信息給板卡分配資源，接下來就可以進(jìn)行應(yīng)用程序的開發(fā)了。利用DriverWizard生成應(yīng)用程序框架后，用戶把生成的框架整理到自己的程序中，再添加實(shí)際應(yīng)用中需要的功能就完成了軟件的開發(fā)。

PCI總線是計(jì)算機(jī)總線的樞紐，其速度是一般總線望塵莫及的，其應(yīng)用也十分廣泛。利用本文介紹的方法開發(fā)出的板卡可以運(yùn)用于各種高速數(shù)據(jù)傳輸場合中，發(fā)雷達(dá)系統(tǒng)仿真控制、工業(yè)總線控制、高速數(shù)據(jù)采集、圖像采集等。本設(shè)計(jì)在對芯片的選型時(shí)本著經(jīng)濟(jì)實(shí)用的原則，開發(fā)出的板卡性價(jià)比較高。