摘? 要: 采用FPGA技術(shù),在ALTERA公司的FLEX6000系列芯片上實(shí)現(xiàn)了從設(shè)備模式PCI總線的簡化協(xié)議,并給出了Windows9x系統(tǒng)下的虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序,提供了與應(yīng)用程序" title="應(yīng)用程序">應(yīng)用程序的接口。實(shí)現(xiàn)結(jié)果表明:該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)靈活,功能可靠,有利于與其它模塊實(shí)現(xiàn)單片集成應(yīng)用。本系統(tǒng)已應(yīng)用在數(shù)據(jù)采集和處理" title="采集和處理">采集和處理、圖像處理等方面。

　　關(guān)鍵詞: PCI總線協(xié)議" title="總線協(xié)議">總線協(xié)議? 現(xiàn)場可編程門陣列? 虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)

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　　目前,許多公司都提出了新型的計(jì)算機(jī)高速總線,如Arapahoe總線標(biāo)準(zhǔn)和HyperTransport技術(shù),但各協(xié)議互不兼容,沒有形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。作為傳統(tǒng)的通用局部總線,PCI總線仍然占據(jù)著主流個(gè)人電腦市場,具有頑強(qiáng)的生命力。

　　現(xiàn)在市面上存在著各種PCI接口芯片,如AMCC公司的S5933,PLX的9080系列等。專用芯片可以實(shí)現(xiàn)完整的PCI主設(shè)備與從設(shè)備模式的接口功能,將復(fù)雜的PCI總線接口轉(zhuǎn)化為相對(duì)簡單的用戶接口,但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)受接口芯片的限制,不能靈活地設(shè)計(jì)目標(biāo)系統(tǒng),且成本較高。本文使用符合PCI電氣特性的FPGA芯片進(jìn)行簡化的PCI接口邏輯設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了33MHz、32位數(shù)據(jù)寬度的PCI從設(shè)備模塊的接口功能,節(jié)約了系統(tǒng)的邏輯資源,且可以將其它用戶邏輯集成在同一塊芯片上,降低了成本,增加了設(shè)計(jì)的靈活性。另外,還給出了Windows9x系統(tǒng)下的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序,可以與應(yīng)用程序接口,形成一個(gè)完整的系統(tǒng)。目前,本系統(tǒng)已經(jīng)被印染企業(yè)應(yīng)用在數(shù)據(jù)采集和處理等方面。

1 系統(tǒng)構(gòu)成與功能描述

　　系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

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　　由圖1可見,系統(tǒng)的硬件平臺(tái)為一塊PCI卡。此卡的結(jié)構(gòu)十分簡潔,主要由FPGA芯片、RAM芯片和輸出接口三部分組成。其中,FPGA芯片集成了PCI接口模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。PCI接口模塊實(shí)現(xiàn)了33MHz工作時(shí)鐘、32位總線寬度的接口功能,支持I/O" title="I/O">I/O空間、內(nèi)存空間及配置空間的讀寫和PCI中斷功能。由于簡化的PCI接口占用的邏輯資源較少,可以在同一塊芯片中集成其他用戶邏輯。作為一個(gè)應(yīng)用實(shí)例,本文加入了一個(gè)數(shù)據(jù)處理模塊,對(duì)PCI接口傳送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,通過片外的輸出接口輸出到下位機(jī)。RAM芯片為數(shù)據(jù)處理提供緩存功能。

2 從設(shè)備模式下的簡化PCI協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

　　為了實(shí)現(xiàn)PCI接口的基本功能,必須完成以下幾個(gè)模塊:

　　(1)PCI配置空間設(shè)置。PCI協(xié)議支持三種地址空間:I/O空間、內(nèi)存空間和配置空間。配置空間提供了支持PCI設(shè)備自動(dòng)配置的機(jī)制,是必需的。

????(2)PCI從設(shè)備狀態(tài)機(jī)。PCI總線狀態(tài)機(jī)是具有PCI總線的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的狀態(tài)流,是由一個(gè)已知狀態(tài)到另一個(gè)狀態(tài)的條件、時(shí)序的描述。這是PCI接口設(shè)計(jì)中最基本也是最重要的部分。

????(3)地址譯碼和命令譯碼。地址譯碼用來確定PCI設(shè)備是否應(yīng)當(dāng)響應(yīng)當(dāng)前總線的操作;命令譯碼則用來指示PCI設(shè)備根據(jù)不同的總線命令作出相應(yīng)的動(dòng)作。

　　本文采用ALTERA公司的Max+PlusII軟件平臺(tái),硬件描述語言使用ALTERA HDL語言,也可以方便地轉(zhuǎn)換成VHDL或VerilogHDL語言。在此之前,先引入PCI總線信號(hào)的定義。

2.1 總線信號(hào)定義

　　根據(jù)PCI總線協(xié)議2.2版,從設(shè)備模式下PCI接口至少包含47根引腳。圖2給出了按功能劃分的引腳分布,左邊是必需引腳,右邊是可選引腳。為簡化起見,本文采用了如下引腳,其他引腳均不使能或置為高阻態(tài)。

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　　(1)由系統(tǒng)提供的33MHz的同步時(shí)鐘信號(hào)CLK和復(fù)位信號(hào)RST#(#表示低電平有效);

　　(2)關(guān)于數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵男盘?hào):32位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用線AD[31：0]、總線命令/字節(jié)使能復(fù)用線C/BE[3：0]#和偶校驗(yàn)信號(hào)PAR;

　　(3)接口控制信號(hào)FRAME#、TRDY#、IRDY#、STOP#、

　　DEVSEL#和IDSEL。其中,FRAME#為數(shù)據(jù)傳輸起止信號(hào),TRDY#為主設(shè)備準(zhǔn)備好信號(hào),IRDY#為從設(shè)備準(zhǔn)備好信號(hào),STOP#為從設(shè)備停止請(qǐng)求信號(hào),DEVSEL#為設(shè)備選擇信號(hào),IDSEL為配置空間讀寫時(shí)的片選信號(hào);

　　(4)中斷引腳INTA#。

　　為簡化PCI協(xié)議,本文只實(shí)現(xiàn)了最重要的總線命令,表1給出了所支持的總線命令對(duì)應(yīng)的C/BE?眼3：0?演#編碼值。

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2.2 配置空間設(shè)置

　　配置空間大小為256字節(jié),前64字節(jié)必需,記錄了PCI設(shè)備的基本信息,比較重要的有:

　　(1)VendorID、DeviceID和Class Code域:分別表示設(shè)備的生產(chǎn)廠商、設(shè)備編號(hào)和類型;

　　(2)Command和Status域:分別給出了對(duì)PCI設(shè)備的控制命令和當(dāng)前狀態(tài);

　　(3)Base Adress Register域:指示此PCI設(shè)備按I/O方式還是內(nèi)存方式進(jìn)行讀寫以及需要的地址空間大小;

　　(4)Interrupt Line和Interrupt Pin域:分別指明了設(shè)備使用的中斷號(hào)和中斷引腳。

　　在對(duì)配置空間的訪問中,用AD?眼7：2?演尋址一個(gè)雙字DWORD。在本設(shè)計(jì)中,配置空間設(shè)置如表2所示,各值的具體含義請(qǐng)參閱文獻(xiàn)[1]。

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2.3 簡化的從設(shè)備狀態(tài)機(jī)

　　在PCI協(xié)議中,標(biāo)準(zhǔn)的從設(shè)備狀態(tài)機(jī)包含五種狀態(tài),而且各狀態(tài)的跳轉(zhuǎn)條件比較復(fù)雜。本文在不違反PCI協(xié)議的前提下,簡化了從設(shè)備的狀態(tài)機(jī),如圖3所示。

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　　圖3中,狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件信號(hào)a、b、c定義如下:a代表配置空間訪問條件,b代表I/O空間或內(nèi)存空間訪問條件,c代表總線傳輸開始條件。這三個(gè)條件的實(shí)現(xiàn)由后面的命令譯碼模塊給出。

　　IDLE是系統(tǒng)的缺省狀態(tài),表示總線當(dāng)前空閑。通常,設(shè)備處在IDLE狀態(tài)時(shí),要檢測(cè)來自PCI總線和后級(jí)設(shè)備的信號(hào),以便設(shè)備作出合適的響應(yīng)。設(shè)備處于S_DATA狀態(tài)時(shí)完成第一次數(shù)據(jù)傳輸,直接無條件跳到BACKOFF狀態(tài)。設(shè)備在BACKOFF狀態(tài)時(shí)進(jìn)行多個(gè)數(shù)據(jù)傳輸,直至主設(shè)備斷開訪問。需要注意的是:任何對(duì)I/O空間、配置空間以及內(nèi)存空間的突發(fā)傳輸?shù)牡刂烦^了設(shè)備映射地址的范圍時(shí),從設(shè)備要在此狀態(tài)建立STOP信號(hào),斷開訪問。當(dāng)幀信號(hào)無效或主設(shè)備終止傳輸時(shí),設(shè)備回到初始的IDLE狀態(tài)。BUS_BUSY狀態(tài)時(shí)總線忙,表示總線正在被其它設(shè)備使用。有兩條轉(zhuǎn)移路徑,若總線仍然被占用,則停留在BUS_BUSY狀態(tài),否則返回空閑狀態(tài)IDLE。

2.4 地址譯碼和命令譯碼模塊

　　地址譯碼模塊主要檢測(cè)PCI地址與本PCI卡的基地址是否匹配,可以通過AD?眼31：00?演信號(hào)線上的值與設(shè)置的基地址作比較判斷。如果PCI地址落在設(shè)置的基地址范圍內(nèi),則PCI卡響應(yīng)當(dāng)前的總線操作。

命令譯碼模塊指示PCI卡響應(yīng)不同的總線命令,通過檢測(cè)C/BE?眼3：0?演#信號(hào)線上的值,與表1列出的總線命令作比較,完成命令譯碼。

3 Windows9x系統(tǒng)下驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)

　　對(duì)PCI設(shè)備而言,驅(qū)動(dòng)程序提供了獲取PCI卡的配置空間信息、勾掛PCI中斷、總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋１疚慕榻B使用Numega公司的VtoolsD軟件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的方法。

3.1 尋找PCI卡并讀取配置空間信息

　　配置空間包含了系統(tǒng)初始化PCI設(shè)備所必需的信息,首先需要遍歷整個(gè)硬件樹結(jié)構(gòu)來尋找指定的PCI設(shè)備。對(duì)于每一個(gè)設(shè)備,比較其廠商號(hào)(Vendor ID)和設(shè)備編號(hào)(Device ID),如果與設(shè)計(jì)的PCI卡的信息匹配,則讀取它的配置空間信息。

3.2 I/O方式下的讀寫操作

　　I/O方式下的讀寫比較簡單。在得到PCI設(shè)備基地址信息后,通過C++語言中的端口讀寫函數(shù)inpd和outpd即可完成。舉例如下:

　　Temp=_inpd(gBaseAddresses);// Temp中得到讀出的數(shù)據(jù)

　　_outpd(gBaseAddresses，Data); //向基地址寫入數(shù)據(jù)

　　其中,gBaseAddresses為基地址值,Data為寫操作時(shí)的數(shù)據(jù)。

3.3 內(nèi)存方式下的讀寫

　　對(duì)于內(nèi)存方式下的讀寫,一個(gè)重要問題就是地址的映射。因?yàn)橛布O(shè)備讀寫的是物理內(nèi)存,但應(yīng)用程序讀寫的是虛擬地址,所以存在著將物理內(nèi)存地址映射到用戶程序線性地址的問題。

　　映射功能通過調(diào)用VtoolsD軟件的標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)完成。根據(jù)給定的物理地址和所要求的空間大小,在系統(tǒng)內(nèi)存中分配相應(yīng)空間。首先,用PageReserve函數(shù)分配當(dāng)前保留頁的線性地址空間,再利用PageCommitPhys函數(shù)的服務(wù)對(duì)開始的線性地址空間分配相應(yīng)的物理地址空間。程序如下:

　　ULONG nPages=_NPAGES_(PhysAddress，SizeInBytes)；

????Linear=PageReserve(PR_SYSTEM，nPages，PR_FIXED)；

????PageCommitPhys(PAGENUM(Linear)，nPages，PAGENUM?????? (PhysAddress)，PC_INCR | PC_WRITEABLE | PC_USER )；

??? LinPageLock(PAGENUM(Linear)，nPages，0)；

??? 其中,PhysAddress為給定的物理地址,SizeInBytes為需要的空間大小。

　　建立了物理RAM到系統(tǒng)內(nèi)存的映射后,就可以利用C++語言中的文件操作基類CFile類完成數(shù)據(jù)的讀寫。首先使用CFile類的成員函數(shù)Open打開文件,為保證數(shù)據(jù)讀寫的準(zhǔn)確無誤,必須使用二進(jìn)制方式打開;接下來使用Read和Write成員函數(shù)進(jìn)行文件讀寫;完畢后用Close成員函數(shù)關(guān)閉文件。

3.4 中斷的勾掛和處理

　　首先在ON_DEVICE_INIT函數(shù)中完成中斷的初始化。即通過前面讀取的PCI設(shè)備的中斷號(hào),使用VPICD_Virtualize_IRQ函數(shù)進(jìn)行中斷勾掛,并調(diào)用VPICD_Physically_Unmask函數(shù)開中斷。

　　RTCIRQHandle=VPICD_Virtualize_IRQ(&IRQdesc)；

　　VPICD_Physically_Unmask(RTCIRQHandle)；

　　然后在RTCInt_Handler函數(shù)中進(jìn)行中斷處理,可以進(jìn)行各種操作,例如向應(yīng)用程序發(fā)送自定義的消息來通知中斷的發(fā)生。

3.5 與應(yīng)用程序的通信

　　一般地,應(yīng)用程序通過CreateFile函數(shù)調(diào)用VxD驅(qū)動(dòng)程序,得到一個(gè)VxD的文件句柄" title="句柄">句柄。使用如下的語句可以打開一個(gè)名為mydriver.VXD的文件,得到的句柄保存在hVxD中。

　　hVxD=CreateFile(″\\.\mydriver.VXD″，0，0，0，CREATE-NEW，

?????????????????????????????????? FILE-FLAG-DELETE-ON-CLOSE，0)；

　　通過句柄hVxD和DeviceIoControl函數(shù)就可以與驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

本文采用ALTERA公司的FLEX6000系列芯片,型號(hào)為EPF6016TC144-3,實(shí)現(xiàn)了簡化的從設(shè)備模式PCI協(xié)議,并在Windows9x系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)工作良好。資源占用情況如下:可用I/O引腳113根,占用51根,占用率45%;可用邏輯單元數(shù)1320個(gè),占用151個(gè),占用率11%。

　　簡化的PCI協(xié)議的實(shí)現(xiàn)占用較少的邏輯資源,可以靈活方便地進(jìn)行功能添加和改進(jìn),同時(shí)可以在同一塊芯片中集成其他用戶模塊,實(shí)現(xiàn)不同功能,以降低成本。目前,本系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用在數(shù)據(jù)采集和處理、圖像處理等方面。

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參考文獻(xiàn)

1 PCI Local BUS specification production. Version Revision? 2.2. 1998

2 彭禮孝.虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)起步與進(jìn)階.北京:人民郵電出版社,2000

3 趙雅興.FPGA原理、設(shè)計(jì)與應(yīng)用.天津：天津大學(xué)出版社,1998