高速PCI總線接口卡的開發(fā)

1、高速高速 PCIPCI 總線接口卡的開發(fā)總線接口卡的開發(fā)摘要：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(guò)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(guò)程中得出的應(yīng)該注意的細(xì)節(jié)等。 ; mso-hansi-font-family: Times NewRoman關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：PCI 總線 PCI9052 TMS320LF2407 雙端口 RAMPCI 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

2、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(wú)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 1 PCIPCI 總線接口卡的開發(fā)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

3、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 UltraSCSI320 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

4、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(lái)說(shuō)，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(guò)嚴(yán)格測(cè)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(guò)專用芯片來(lái)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(jiǎn)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(lái)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

5、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(jiǎn)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

6、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(chǎng)合應(yīng)盡量選用目標(biāo)設(shè)備芯片。本設(shè)計(jì)中選用

7、 PLX 公司的PCI9052 目標(biāo)設(shè)備芯片來(lái)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 033MHz，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 040MHz，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

8、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(guò)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(guò) 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(lái)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

9、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)

10、 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(chǎng)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。圖圖 2 2PCI9052 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C

11、Y7C131，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(lái)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(lái)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(guò)程中需要頻繁修

12、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(duì)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(lái)提升，所以對(duì)信號(hào)線的長(zhǎng)度有要求：CLK 信號(hào)線的長(zhǎng)度為 2500mil100mil。如果長(zhǎng)度不夠可以畫蛇行線，另外 ，CLK 信號(hào)線要用地線屏蔽。(2)PCI

13、 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 0.01F,從引腳根部到電容焊盤的走線長(zhǎng)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(lái)表明槽位上實(shí)際存在一塊板；其二，提供該板對(duì)電源要求的有關(guān)信息。表 1 給出了 PRSNT#引腳的設(shè)備情況。表表 1 1 PRSNT#PRSNT#引腳的設(shè)置情況引腳

14、的設(shè)置情況PESNT1#PRSNT2#擴(kuò)展板配置開路開路不存在擴(kuò)展板地開路有擴(kuò)展板，最大功耗為 25W開路地有擴(kuò)展板，最大功耗為 15W地地有擴(kuò)展板，最大功耗為 7.5W(4)對(duì)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(lái)，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(duì) 3.3V 引腳應(yīng)提供一個(gè)交流回路，這時(shí)對(duì)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 0.01F。(6)為了穩(wěn)定性，局部總線除了少數(shù)有

15、特殊要求外，所有的信號(hào)線都應(yīng)加上拉電阻(5k10 k)或下拉電阻（一般選 150k）。(7)為防止干擾，局部總線時(shí)鐘也應(yīng)對(duì)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10k的上拉電阻，而 PRE 端要接 150k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(wú)法運(yùn)行。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)檢測(cè)EEPROM 的開始 48 拉是否全為“

16、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(guò)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(yǔ)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(yǔ)言、四通公司 ASIC 事業(yè)部開發(fā)的針對(duì) GAL 器件的 FM（Fast MAP）軟件等屬于語(yǔ)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(yǔ)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(yǔ)言描述類設(shè)計(jì)軟件，這里選用 DATA I/O 公司的 ABEL 語(yǔ)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(duì)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 ICETEK51