PCI總線接口技術及其在高速數據采集系統中的應用

一種基于PCI總線的高速數據采集傳輸系統的實現,討論了PCI總線控制器9054的性能及三種傳輸模式,提供了該系統的硬件實現和采用DMA傳輸方式實現數據傳輸的設計。

??? 關鍵詞：PCI總線 PCI 9054總線控制器 DMA

數據采集是數字信號處理中非常重要的環節。對于不同的任務,數據采集要達到的技術指標也不相同。對于瞬態信號,雷達信號和圖像處理都需要幾MB/s甚至幾十MB/s的超高速采集速率。目前用于PC機的數據采集卡大部分是基于ISA總線的,這種結構的最大缺點是傳輸速率太低,不能實現數據的實現高速傳輸。PCI總線推出后,以其突出的性能備受計算機和通信業界的青睞,將取代以往的總線, 成為高檔機及高性能工作站外部件的基石。PCI作為局部總線,一邊與處理器和存儲器總線接口;另一邊為外設擴展提供了高速通道。33MHz、32位的PCI總線可以實現132MB/s的數據傳輸速率;64位的PCI總線性能加倍。開發以PCI總線為基礎的數據采集設備是技術發展的必然要求。在實際工作中,利用PCI總線將采集數據直接傳到系統內存,可有效解決數據的實時傳輸和存儲,為信號的實時處理提供方便。

1 數據采集系統的結構與功能

本數據采集系統應用于雷達視頻回波信號的處理。信號由兩路正交視頻回波信號組成,故采用雙通道。采集指標：2路采集信號,采樣率為40M個樣本,A/D采樣字長是10位。每路數字信號字長取16位,兩路合成路共32位,將32位數據分別傳入系統內存的不同區域,以便后續處理。系統設計以PCI總線控制器為基礎,通過DMA方式分別將32位數據傳輸系統內存的不同區域。主要功能模塊有：PCI總線控制器、雙口SRAM、采集控制芯片EPLD、A/D部分。系統框圖如圖1所示。

2 PCI總線控制器的實現

PCI總線是一個地址/數據、命令/字節選擇信號復用的總線。它采用主從信號雙向握手的方式來控制數據的傳輸,其接口電路設計與傳統總線接口電路設計沒有大的區別。一般來說,一個PCI接口電路應當完成以下幾種功能：（1）地址譯碼及命令譯碼,由于PCI總線可以采用正向方式和負向方式進行譯碼。因此用戶應視應用情況選擇適當的譯碼方式。一般選擇正向譯碼;為保證不會出現地址沖突,最好采用全地址譯碼;命令信號線C/BE[0～3]必須能加譯碼。（2）地址產生電路。PCI的突發傳輸方式包括一個地址周期和若干個數據周期,因此在PCI接口電路中必須包含高速的地址產生部件,用于向后級應用電路提供連接的地址。（3）控制信號的產生。PCI總線上的數據傳輸基本上由FRAME、IRDY、TRDY和DEBVSEL 4根信號線控制,因此必須根據主從設備的忙閑情況相應產生這些控制信號。另外,PCI接口電路還應完成地址鎖存及數據分離、命令鎖存及字節選擇信號分離的功能。值得注意的是：在設計這個功能時必須考慮到PCI規范中信號的負載能力。實現PCI總線控制器大體有兩種方式：使用可編程器件和專用接口芯片。采用EPLD和FPGA等編程邏輯器件的優點在于其靈活的可編程性。專用芯片可以實現完整的PCI主控模塊和目標模塊接口功能,將復雜的PCI總線接口轉換為相對簡單的接口。用戶可以集中精力于應用設計,而不是調試PCI總線的接口,明顯縮短了開發時間。本設計應用PLX公司的PCI9054實現總線控制器。

3 PCI 9054簡介

PCI 9054是32位/33MHz的通用PCI總線控制器專用芯片。該芯片符合PCI總線規范2.2版,突發傳輸速率達到132MB/s。局部總線支持復用/非復用的32位地址/數據,可為M模式、C模式、J模式中的一種。PCI 9054內部有6種可編程的FIFO,以實現零等待突發傳輸及局部總線和PCI總線之間的異步操作。9054支持主模式、從模式、DMA傳輸方式,可用于適配卡和嵌入式系統。PCI 9054的結構框圖如圖2所示。

???? *主模式操作

主模式操作就是允許本地的CPU訪問PCI總線上的內存和I/O接口。模式選擇必須在PCI命令寄存器中使能給出,如PCI主設備存儲器和I/O范圍寄存器、PCI基址寄存器、主設備配置和命令寄存器等。主模式操作包括PCI主設備存儲器和I/O譯碼、PCI主設備存儲器和I/O配置訪問、PCI雙地址周期訪問、PCI主設備存儲器寫并無效等操作。

*從模式操作

從模式就是允許PCI總線上的主控設備訪問局部總線上的PCI 9054的配置寄存器或內存,支持突發和單周期動模式傳輸。PCI 9054通過16字長的PCI從設備讀FIFO和32字長的PCI從設備寫FIFO來支持從PCI總線到局部總線上的突發或單周期的存儲器映射訪問和I/O映射訪問。PCI基址寄存器用來設定PCI存儲器和I/O空間的地址。從模式操作包括延時讀操作、提前讀操作等。

*DMA操作

PCI 9054有一個強大的雙通道分散/收集DMA控制器,支持PCI主機和適配器內存的高鏟公安廳發傳輸。兩個獨立的DMA通道能從局部總線到PCI總線和從PCI總線到局部總線傳輸數據。每個通道包括一個DMA控制器和一個專用雙向FIFO。兩個通道都支持塊傳輸、分散/收集傳輸、應用或者不用EOT傳輸等。模式選擇必須在PCI 9054成為一個PCI總線主設備之間主設備使能位（PCICR[2]）使能。另外,兩個DMA通道都能編程實現8、16或32bit局部總線帶寬;使能/使無效內部等待周期;使能/使無效局部總線突發傳輸;執行PCI存儲器寫并無效操作;設置PCI中斷（INTA）或者是本地中斷（LINT）等。圖3和圖4分別描述了從PCI到局部總一和從局總總線到PCI總線的DMA數據傳輸操作邏輯。

4 采樣控制和驅動程序設計

基于開發周期和成本考慮,本設計采用DMA傳輸模式。啟動采樣后,采和1KB×8的雙口SRAM IDT7130作為數據采集前端與PCI總線的數據緩沖,PCI 9054作為主控設備,利用其DMA通道進行數據傳輸。當雙口SRAM采滿1KB數據之后,通過EPLD（EPM7128）產生局部總線中斷,PCI9054獲得局部總線的控制權后,根據DMA的起始位將1KB的數據讀到DMA傳輸的專用FIFO中,PCI 9054申請占用PCI總線,獲得PCI總線的控制權后,將數據寫入PCI總線存儲空間,從而實現一次采樣和傳輸。

可編程邏輯器件（EPLD）用以實現PCI 9054與雙口SRAM的I/O邏輯、傳輸控制邏輯、中斷邏輯以及主機對數據采集通道的前端控制。

PCI數據采集卡另一關鍵問題是驅動程序的開發。設備驅動程序提供鏈接到PCI板卡的軟件接口,文件擴展名為.SYS的動態鏈接庫。在Windows98和Windows2000中,設備驅動程序必須根據Windows驅動程序模型（WDM）設計。設備驅動程序的關鍵是如何完成硬件操作,基本功能是完成設備的初始化、對端口的讀寫操作、中斷的設備和響應及中斷的調用,以及對內存的直接讀寫。本設計應用KRF-Tech公司的Windriver來編寫設備驅動程序,Windriver針對PLX和AMCC的專用接口芯片編寫了API函數包,降低了開發難度。

PCI 9054以其強大的功能和簡單的用戶接口,為PCI總線接口的開發提供了一種簡法的方法。設計者只需設計局部總線接口控制電路,即可實現與PCI總線的高速數據傳。在高速數據采集系統中,利用PCI總線的高速特性實時傳輸和存儲采集數據,有效地解決了數據傳輸和處理的實時性。隨著PCI總線的普及應用,基于PCI總線的采集系統設計有十分廣闊的前景。