基于接口芯片的PCI总线接口卡的设计

1、引言

　　作为对PCI总线在仪器领域的扩展，PXI总线由于具有高性能、低价位等特点，使其在数据采集、工业自动化系统、计算机机械观测系统和图像处理等方面获得了广泛应用。

　　但是PXI总线协议十分复杂，其接口的实现比ISA困难得多，直接为它设计相匹配的数字逻辑控制电路难度很大。特别是对于那些没有PCI板卡设计经验的人来说，要想直接设计出能满足要求的PXI模块几乎是不可能的事。而PXI总线的电气规范大部份跟PCI相同，只是增加了一些仪器特性。基于以上考虑，我们决定通过设计一个PCI接口卡来系统地了解利用接口芯片PCI 9030开发PXI模块的过程和方法。

2、硬件设计

　　目前实现 PCI 接口的方法主要是采用可编程逻辑器件或采用专用接口芯片。为降低难度，缩短开发时间 ，我们决定采用专用接口芯片来进行接口的开发。因为我们的最终目的是开发PXI模块，所以我们选用了符合PXI性能要求的接口芯片PCI 9030。PCI 9030 是 PLX 公司开发的一种为扩展适配卡推出的高性能目标接口芯片，其符合 PCI2.2 规范，3.3V 核心电压，低功耗，176 引脚 PQFP 或180 引脚 BGA 封装，本地总线可以设置为 8 位、16 位、32 位复用和非复用模式。

　　在我们原来的性能测试系统中，功率计模块是基于ISA总线的插件，端口地址是ox100-ox107,数据总线宽度是8位，具有输入输出功能。我们要设计的接口卡所实现的功能相当于一个从ISA总线到PCI总线的转接卡。PCI 9030作为一种桥接芯片，提供了PCI总线、EEPROM和ISA总线三个接口，下面分别介绍各部分的接口电路：

　　第一部分是PCI9030与PCI总线的接口。这些信号包括地址数据复用信号AD[31:0]、总线命令和字节使能信号C/BE[3:0]、奇偶校验信号(PAR), 帧周期信号(FRAME#)、主设备准备好信号(IRDY#), 从设备准备好信号(TRDY#),停止数据传送信号(STOP#),初始化设备选择信号(IDSEL), 设备选择信号(DEVSEL#)、数据奇偶校验错误报告信号(PERR#)、系统错误报告信号(SERR#)、时钟输入信号(CLK),复位信号(RST#)、中断信号(INTA#)等。电路连接中，把两边对应的管脚相连就行，中间不需要用电阻隔离。

　　第二部分是PCI9030与EEPROM的接口。EEPROM选用NATIONAL公司的NM93CS66L；它是一个4K的低电压串行存储器，用来存储PCI9030的配置信息并在芯片复位时进行加载，从而使PCI板卡具有即插即用的功能。PCI9030有四根信号线用于与EEPROM的连接：EESK, EEDO, EEDI和EECS。

第三部分是PCI9030与ISA总线的接口。

　　ISA总线功率计模块的主要信号只涉及到I/0,且为8位宽的数据总线，数据传输只用到端口读写信号IORD#和IOWR#，用A0-A9作为地址译码。在接口芯片的本地端中我们采用非复用模式，地址和数据总线都是8位，所以只需选择LA2、LBE0和LBE1进行地址译码就可以了。

3、EEPROM的配置

　　PCI总线能实现“即插即用”是因为它具有一个配置空间。当计算机启动时，BIOS会对每个PCI卡的配置空间进行访问，即自动加载EEPROM内容来获取各个PCI卡的配置信息，并根据这些信息进行资源分配。配置空间是PCI所特有的一个空间，所有的PCI设备必须提供配置空间。

　　对EEPROM的配置要根据具体的硬件设备来进行，其配置的正确与否是硬件设备能否正常工作的关键。下面以我所做的接口卡的串行EEPROM内容为例进行介绍。

　　首先介绍PCI配置寄存器的配置方法。主要是填写器件ID号、供应商ID号、类码、子系统ID号和子系统供应商ID号等。对于PCI9030，其器件ID号为9030, 供应商ID号为lOB5 ,子系统ID号为9030,子系统供应ID号为10B5，类码号为0680，表示其为桥设备中的其它桥设备类。另外，由于使用到中断INTA#，所以在中断寄存器中要将其值设为0100。

　　其次介绍本地配置寄存器的配置方法。PCI9030本质上是一个桥设备，它的作用是把对某一段PCI总线地址空间的各种操作(包括读、写等)转换为相应的本地地址总线的操作。由于在接口卡的本地总线中只用到I/O地址空间，所以我们只需对本地地址空间1的相关寄存器进行配置就行了。本地空间1范围寄存器的值为oxFFFFFFF9，表示I/O空间大小为8个字节, bit0为1表示此空间被映射为I/O空间；本地空间1基地址寄存器的值为ox00000101，表示空间1的基地址为ox100, bit0为1表示空间1使能；本地空间1描述寄存器的值为ox00000022,表示本地空间1的数据总线宽度为8位。本地片选寄存器1的值是ox00000105,表示当本地地址落在ox100-ox107内时，片选信号CS1#有效以用来选择本地总线上的外围设备。对于其它值的含义可参考PCI9030的数据手册，这里就不再一一介绍。图2是PLXmON界面下EEPROM的配置窗口。

4、板卡调试

　　板卡做好后，就可以插入计算机的PCI插槽进行调试。如果硬件电路设计正确，在自检过程中，可以在屏幕上看到系统查找到的PCI设备，并且显示出设备的DID和VID等相关信息。在系统正常启动后，会提示“发现新硬件”，并要求用户安装相应的驱动程序，跳过以后就可以配置EEPROM进而开始调试。对EEPROM的编程有两种方法：一是先用专门的烧录器把数据下载到EEPROM再插入板卡中，这种方法修改起来比较麻烦；二是用专用的软件在线写，如PLX公司提供的专用调试软件PLXmon。PLXmon具有以下功能:PCI总线的探测与选择；配置寄存器的检查和修改；内存空间的显示、修改和填充;EEPROM内容的读写等。利用这个工具，我们可以随时对EEPROM的内容进行在线修改，大大提高了效率。值得注意的是每次修改完EEPROM都要对系统进行重启，使PCI配置寄存器和本地空间配置寄存器能够重新加载新的值。

5、驱动程序的编写

　　在板卡调试完成后，需要编写驱动程序。驱动程序的开发工具很多，但是多数需要了解操作系统的核心工作机制，难度比较大。经过比较，我们采用了Jungo公司的WinDriver进行驱动程序的开发。利用WinDriver我们不必熟悉操作系统的内核知识就可以快速开发出驱动程序，它对于硬件调试也是一个很好的帮助工具。

　　用WinDriver开发PCI设备驱动程序一般有两种方法:一种是使用向导(Driver Wizard),  Driver Wizard能够自动生成驱动程序的框架代码，我们只需修改代码，加入定制的功能，再在用户态执行和调试代码就行；另一种是直接在应用程序中调用WinDriver的API函数。

我们在开发驱动程序中采用的是前一种方法，其基本流程如下:

　　a. 打开Driver Wizard，在Card InformATIon的设备列表中选中自己的设备，如图3，点击“Generate .INF file”生成安装信息文件；

　　b. 点击“下一步”，进入WinDriver 资源定义与测试界面中，如图4, 调试列出的I/O、内存等资源，并定义必要的工作寄存器，如PCI卡上的一些配置寄存器；

　　c. 点击“Generate Code"，选择VC编译器作为自己的开发语言环境，此时将生成针对硬件设备的文件，包括代码文件、说明文件以及适用于VC编译器的项目文件。

　　最后，对向导产生的设备驱动代码框架中添加自己的代码，编译连接后就可以生成对设备进行诊断的控制台程序了。

6、结束语

　　本文作者创新点：在以往的接口卡设计中，对于实现ISA总线向PCI总线转换的方法都是采用带ISA接口的接口芯片，如PCI9052，这可以大大简化开发PCI设备的过程。由于课题需要，我们选用了一种不带ISA接口的接口芯片-----PCI9030制作了一个PCI接口卡。经反复调试，该接口电路能够顺利地完成数据传输，已经成功地实现PCI总线与外设的连接，这一方面验证了用专用接口芯片实现PCI总线接口在技术上的可行性，另一方面也为下一步开发PXI模块打下良好基础。

　　同时，本文中对接口卡的硬件电路连接、EEPROM的配置、驱动程序的编写等方面都作了比较详细的介绍，这对于那些初次接触PCI总线开发的人有一定的指导意义。