总线接口芯片PCI9054及其在高速数据采集系统中的应用

总线接口芯片PCI9054及其在高速数据采集系统中的
应用
装备指挥技术学院邵胜利侯孝民
摘要:本文介绍了PCI总线接口芯片PCI9054的性能、总线操作及其DMA 数据传输方式，并且通过它在高速数据采集系统中的应用实例，阐述了PCI9054在PCI接口电路设计中的简便性和实用性。

关键词:PCI总线接口PCI9054 DMA Windriver
引言
PCI(Peripheral Component Interconnect)总线即外围部件互连总线，是一种先进的高性能32/64位地址数据复用局部总线，可同时支持多组外围设备，并且不受制于处理器，为中央处理器与高速外围设备提供一座沟通的桥梁，提高了数据吞吐量(32位时最大可达132MB/s)，是当今PC领域中流行的总线。

PCI总线具有严格的总线规范，这就保证了它具有良好的兼容性，符合PCI总线规范的扩展卡可以插入任何PCI系统可靠地工作。

一个PCI接口包括一系列的寄存器，这些寄存器中的信息允许计算机自动配置PCI卡。

目前实现PCI接口一般采用专用器件，有效方案分为两种：使用可编程逻辑器件和使用专用总线接口器件。

采用可编程逻辑器件实现PCI接口比较灵活，可以利用的器件也比较多，但由于PCI总线协议的复杂性，其接口的实现比ISA 等总线要困难得多，这种方法难度较大，设计周期较长。

采用专用接口器件不仅对PCI协议有良好的支持，而且提供给设计者良好的接口，这些都大大减少了设计者的工作量。

PCI9054的结构和性能
PCI9054是美国PLX公司继PCI9052之后推出的又一低成本PCI总线接口芯片，低功耗，PQFP 172pins封装，它采用了先进的PLX数据管道结构技术，可以使局部总线快速转换到PCI总线上。

PCI9054主要特性
PCI9054的主要特性如下：
* 符合PCI V2.1，V2.2 规范，包含PCI电源管理特性。

* 支持VPD(Vital Product Data)的PCI扩展。

* 支持PCI双地址周期，地址空间高达4GB。

* 具备I2O准备报文单元，完全兼容I2O V1.5 规范。

* 提供了两个独立的可编程DMA控制器，每个通道均支持块和Scatter/Gather 的DMA方式，DMA通道0支持请求DMA方式。

* 在PCI启动模式，PCI 9054可插入类型1和类型2的配置周期。

* 在PCI和Local Bus的数据传送速率高达132MB/S。

* 支持本地总线(Local Bus)直接接口Motorola MPC850或MPC860系列，Intel i960系列，IBM PPC401系列及其它类似总线协议设备。

* 本地总线速率高达50MHz；支持复用/非复用的32位地址/数据；本地总线可为三种模式：M模式、C模式和J模式，可利用模式选择引脚加以选择。

* 具有可选的串行EEPROM接口。

* 本地总线时钟由外部提供，该时钟可和PCI时钟异步。

* 具有8个32位 Mailbox 寄存器和2个32位Doorbell寄存器。

PCI9054的内部结构组成
PCI 9054内部有6种可编程的FIFO，以实现零等待突发传输及本地总线和PCI总线之间的异步操作。

PCI9054还提供了一个串行EEPROM配置接口，容量2K字节。

在配置存储器中存放了厂家标示、设备标示以及本地总线的基地址空间、I/O空间、中断控制信号等信息。

当初始化时，系统自动将串行EEPROM中的配置参数装入PCI配置寄存器，并根据本地总线对内存、I/O端口和中断的需求统一划分，自动配置。

PCI9054的总线操作.
PCI9054的总线操作包括PCI总线操作和本地总线操作。

对于PCI总线操作，它完全遵守2.2版本PCI规范。

下面主要讨论一下本地总线操作。

PCI9054本地总线支持非多路复用32位地址/数据总线，多路复用32位和8位，16位或32位本地总线设备从属访问，运行速率高达50MHz，可以获得200MB/S的本地总线突发传输速率。

PCI9054有3种工作方式，分别为C、M和J模式。

M模式主要是针对Motorola 公司高性能MPC850/860的应用而设计的，主要应用在电信领域，J模式的接口设计相对比较麻烦，比较常用的是C模式。

C模式下PCI9054分为PCI Initiator操作和PCI Target操作。

在PIC Initiator操作过程中，本地处理器或本地总线主控设备能够直接通过PCI9054访问PCI总线，发起Local-to-PCI的数据传输。

而在PCI Target操作过程中，PCI总线主控设备可以以可编程的等待状态、总线宽度和突发传输功能访问PCI9054的三个本地空间(空间0，空间1和扩充ROM空间)。

PCI9054的DMA突发模式
PCI9054集成了两个互相独立的DMA通道，每个通道都支持Block DMA和Scatter/Gather DMA，通道0还支持Demand DMA传输方式。

Block DMA要求PCI主机或Local主机提供PCI和Local的起始地址、传输字节数、传输方向。

主机设定DMA开始位启动数据传输，一旦传输完成，PCI9054设定DMA"传输结束位"结束DMA，如果中断允许位被使能，在传输结束时PCI9054将向主机申请中断。

在DMA传输中，PCI9054既是PCI总线的主控器又是Local 总线的主控器。

Scatter/Gather DMA要求主机在PCI空间或Local空间设定Descriptor模块，模块包括PCI和Local的起始地址、传输字节数、传输方向和下一个Descriptor模块的地址。

PCI9054载入第一个Descriptor模块并发起传输，连续加载下一个模块，直到它侦测到"链结束位"有效，PCI 9054设置"传输结束位"，或者申请PCI或Local中断。

这种模式下，PCI9054也可以在每个模块加载时有效中断信号结束DMA传输。

若Descriptor模块在本地存储空间，可以编程使DMA控制器在每次DMA传输结束后清除传输字节数。

PCI9054的设计与应用
PCI9054作为一种通用的PCI接口芯片，以其显著的功能和特性，得到了广泛的应用，下面就其在高速数据采集系统设计中的应用进行简单介绍。

硬件结构组成
该高速数据采集系统利用PCI9054的PCI专用接口芯片的特性，设计了一个双路200M的高速数据采集卡，完成高速数据的采集和传输。

系统结构主要包括A/D转换、数据存储、逻辑控制，时钟分配和数据传输五
大模块。

A/D转换电路采用AD(Analog Device)公司的AD9054芯片，分辨率为8位，最高采样率200MSPS。

数据存储电路采用IDT公司的产品72V36110，该芯片可以工作在133 MHz的频率下，零延迟传输，可以提供9位、18位、36位输入、输出接口，最大存储容量为128K 36Bit。

逻辑控制电路采用CPLD技术，利用Altera公司的可编程逻辑器件EPM7128S完成对数据存储电路、AD采集电路、PCI 桥电路的控制，对时钟电路的配置，以及各种触发控制。

时钟电路产生的采样脉冲的频率范围是25MHz~400MHz，步长为1MHz，采用SYNERGY公司的频率合成器SY89429V来完成。

第一步：模拟信号经过信号调理电路后送入ADC，ADC在逻辑控制电路和时钟控制电路的作用下，完成A/D转换，并将转换结果送入数据存储电路。

第二步：PCI桥电路在主机的控制下，将数据存储电路中的数据传输到微机内存中，以供应用程序进行后续的信号处理。

软件设计
PCI数据传输卡的另一关键问题即驱动程序的开发。

设备驱动程序提供连接到PCI板卡的软件接口，在Windows 9x和Windows NT中，设备驱动程序必须根据Windows驱动程序模型(WDM)设计。

设备驱动程序的关键是如何完成硬件操作，基本功能是完成设备的初始化、对端口的读写操作、中断的设置和响应及中断的调用、以及对内存的直接读写。

该系统选用Windriver来编写设备驱动程序，Windriver是美国KRF-Tech 公司出品的用于编写驱动程序的另一种工具包。

它以通用设备驱动程序Windrvr.vxd和Windrvr.sys为核心，包含一个类似QuickVxD的代码生成器Windriver Wizard，一个Windriver发行包，两个公用程序pci_scan.exe和pci_dump.exe。

用它编写的程序主要针对ISA/PCI设备，可同时工作在Windows 9x/NT两种操作系统，其中Windrvr.vxd用于Windows 9x操作系统，Windrvr.sys 用于Windows NT操作系统，因此，它是设计PCI设备驱动程序的理想工具。

Windriver 针对PLX和AMCC的专用接口芯片特别编写了API函数包，这些函数能够方便地实现中断处理、DMA传输、I/O操作、内存映射以及即插即用等功能，为系统的驱动程序的编写提供了便利。

结论
PCI 9054 以其强大的功能和简单的用户接口，为PCI总线接口的开发提供了一种简洁的方法，设计者只需设计出本地总线接口控制电路，即可实现与PCI 总线的高速数据传输。

本系统经过测试，高速数据能够正确采集和传输。

在高速数据传输系统中，利用PCI总线的高速特性实时传输和存储采集数据，有效解决了数据的传输和处理的实时性，可应用于高速数据采集卡、视频处理卡、网卡等高速设备中，随着PCI总线的普及应用，基于 PCI总线的传输系统设计有十分广阔的前景。