现在市面上存在着各种PCI接口芯片，如AMCC公司的S5933，PLX的9080系列等。专用芯片可以实现完整的PCI主设备与从设备模式的接口功能，将复杂的PCI总线接口转化为相对简单的用户接口，但系统结构受接口芯片的限制，不能灵活地设计目标系统，且成本较高。本文使用符合PCI电气特性的FPGA芯片进行简化的PCI接口逻辑设计，实现了33MHz、32位数据宽度的PCI从设备模块的接口功能，节约了系统的逻辑资源，且可以将其它用户逻辑集成在同一块芯片上，降低了成本，增加了设计的灵活性。另外，还给出了Windows9x系统下的设备驱动程序，可以与应用程序接口，形成一个完整的系统。目前，本系统已经被印染企业应用在数据采集和处理等方面。
1 系统构成与功能描述
系统的总体框图如图1所示。
由图1可见，系统的硬件平台为一块PCI卡。此卡的结构十分简洁，主要由FPGA芯片、RAM芯片和输出接口三部分组成。其中，FPGA芯片集成了PCI接口模块和数据处理模块。PCI接口模块实现了33MHz工作时钟、32位总线宽度的接口功能，支持I／O空间、内存空间及配置空间的读写和PCI中断功能。由于简化的PCI接口占用的逻辑资源较少，可以在同一块芯片中集成其他用户逻辑。作为一个应用实例，本文加入了一个数据处理模块，对PCI接口传送来的数据进行处理，通过片外的输出接口输出到下位机。RAM芯片为数据处理提供缓存功能。 2 从设备模式下的简化PCI协议的实现
为了实现PCI接口的基本功能，必须完成以下几个模块：
� （1）PCI配置空间设置。PCI协议支持三种地址空间：I／O空间、内存空间和配置空间。配置空间提供了支持PCI设备自动配置的机制，是必需的。 （2）PCI从设备状态机。PCI总线状态机是具有PCI总线的计算机系统的状态流，是由一个已知状态到另一个状态的条件、时序的描述。这是PCI接口设计中最基本也是最重要的部分。
（3）地址译码和命令译码。地址译码用来确定PCI设备是否应当响应当前总线的 *** 作；命令译码则用来指示PCI设备根据不同的总线命令作出相应的动作。
本文采用ALTERA公司的Max＋PlusII软件平台，硬件描述语言使用ALTERA HDL语言，也可以方便地转换成VHDL或VerilogHDL语言。在此之前，先引入PCI总线信号的定义。
2．1 总线信号定义
根据PCI总线协议2．2版，从设备模式下PCI接口至少包含47根引脚。图2给出了按功能划分的引脚分布，左边是必需引脚，右边是可选引脚。为简化起见，本文采用了如下引脚，其他引脚均不使能或置为高阻态。
（1）由系统提供的33MHz的同步时钟信号CLK和复位信号RST＃(＃表示低电平有效)；
� （2）关于数据传输的核心信号：32位地址／数据复用线AD[31:0]、总线命令／字节使能复用线C／BE[3:0]＃和偶校验信号PAR；
（3）接口控制信号FRAME＃、TRDY＃、IRDY＃、STOP＃、DEVSEL＃和IDSEL。其中，FRAME＃为数据传输起止信号，TRDY＃为主设备准备好信号，IRDY＃为从设备准备好信号，STOP＃为从设备停止请求信号，DEVSEL＃为设备选择信号，IDSEL为配置空间读写时的片选信号；
� （4）中断引脚INTA＃。
为简化PCI协议，本文只实现了最重要的总线命令，表1给出了所支持的总线命令对应的C／BE[3:0]＃编码值。 2．2 配置空间设置
配置空间大小为256字节，前64字节必需，记录了PCI设备的基本信息，比较重要的有：
� （1）VendorID、DeviceID和Class Code域：分别表示设备的生产厂商、设备编号和类型；
� （2）Command和Status域：分别给出了对PCI设备的控制命令和当前状态；
� （3）Base Adress Register域：指示此PCI设备按I／O方式还是内存方式进行读写以及需要的地址空间大小；
� （4）Interrupt Line和Interrupt Pin域：分别指明了设备使用的中断号和中断引脚。 在对配置空间的访问中，用AD[7：2]寻址一个双字DWORD。在本设计中，配置空间设置如表2所示，各值的具体含义请参阅文献[1]。
2．3 简化的从设备状态机
在PCI协议中，标准的从设备状态机包含五种状态，而且各状态的跳转条件比较复杂。本文在不违反PCI协议的前提下，简化了从设备的状态机，如图3所示。
图3中，状态转移条件信号a、b、c定义如下：a代表配置空间访问条件，b代表I／O空间或内存空间访问条件，c代表总线传输开始条件。这三个条件的实现由后面的命令译码模块给出。
IDLE是系统的缺省状态，表示总线当前空闲。通常，设备处在IDLE状态时，要检测来自PCI总线和后级设备的信号，以便设备作出合适的响应。设备处于S＿DATA状态时完成第一次数据传输，直接无条件跳到BACKOFF状态。设备在BACKOFF状态时进行多个数据传输，直至主设备断开访问。需要注意的是：任何对I／O空间、配置空间以及内存空间的突发传输的地址超过了设备映射地址的范围时，从设备要在此状态建立STOP信号，断开访问。当帧信号无效或主设备终止传输时，设备回到初始的IDLE状态。BUS＿BUSY状态时总线忙，表示总线正在被其它设备使用。有两条转移路径，若总线仍然被占用，则停留在BUS＿BUSY状态，否则返回空闲状态IDLE。
2．4 地址译码和命令译码模块
地址译码模块主要检测PCI地址与本PCI卡的基地址是否匹配，可以通过AD[31：00]信号线上的值与设置的基地址作比较判断。如果PCI地址落在设置的基地址范围内，则PCI卡响应当前的总线 *** 作。
命令译码模块指示PCI卡响应不同的总线命令，通过检测C／BE[3：0]＃信号线上的值，与表1列出的总线命令作比较，完成命令译码。
3 Windows9x系统下驱动程序的设计
对PCI设备而言，驱动程序提供了获取PCI卡的配置空间信息、勾挂PCI中断、总线数据传输等功能。本文介绍使用Numega公司的VtoolsD软件进行驱动设计的方法。
3．1 寻找PCI卡并读取配置空间信息
配置空间包含了系统初始化PCI设备所必需的信息，首先需要遍历整个硬件树结构来寻找指定的PCI设备。对于每一个设备，比较其厂商号（Vendor ID）和设备编号�Device ID ，如果与设计的PCI卡的信息匹配，则读取它的配置空间信息。
3．2 I／O方式下的读写 *** 作
I／O方式下的读写比较简单。在得到PCI设备基地址信息后，通过C＋＋语言中的端口读写函数inpd和outpd即可完成。举例如下：
Temp＝＿inpd（gBaseAddresses）；／／ Temp中得到读出的数据
＿outpd（gBaseAddresses�Data）； ／／向基地址写入数据
其中，gBaseAddresses为基地址值，Data为写 *** 作时的数据。
3．3 内存方式下的读写
对于内存方式下的读写，一个重要问题就是地址的映射。因为硬件设备读写的是物理内存，但应用程序读写的是虚拟地址，所以存在着将物理内存地址映射到用户程序线性地址的问题。
映射功能通过调用VtoolsD软件的标准库函数完成。根据给定的物理地址和所要求的空间大小，在系统内存中分配相应空间。首先，用PageReserve函数分配当前保留页的线性地址空间，再利用PageCommitPhys函数的服务对开始的线性地址空间分配相应的物理地址空间。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为给定的物理地址，SizeInBytes为需要的空间大小。
建立了物理RAM到系统内存的映射后，就可以利用C＋＋语言中的文件 *** 作基类CFile类完成数据的读写。首先使用CFile类的成员函数Open打开文件，为保证数据读写的准确无误，必须使用二进制方式打开；接下来使用Read和Write成员函数进行文件读写；完毕后用Close成员函数关闭文件。 3．4 中断的勾挂和处理
首先在ON＿DEVICE＿INIT函数中完成中断的初始化。即通过前面读取的PCI设备的中断号，使用VPICD＿Virtualize＿IRQ函数进行中断勾挂，并调用VPICD＿Physically＿Unmask函数开中断。
RTCIRQHandle＝VPICD＿Virtualize＿IRQ（＆IRQdesc）； �
VPICD＿Physically＿Unmask（RTCIRQHandle）； �
然后在RTCInt＿Handler函数中进行中断处理，可以进行各种 *** 作，例如向应用程序发送自定义的消息来通知中断的发生。
3．5 与应用程序的通信
一般地，应用程序通过CreateFile函数调用VxD驱动程序，得到一个VxD的文件句柄。使用如下的语句可以打开一个名为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）； �
通过句柄hVxD和DeviceIoControl函数就可以与驱动程序进行数据传输。
本文采用ALTERA公司的FLEX6000系列芯片，型号为EPF6016TC144－3，实现了简化的从设备模式PCI协议，并在Windows9x系统下实现驱动程序的设计。整个系统工作良好。资源占用情况如下：可用I／O引脚113根，占用51根，占用率45％；可用逻辑单元数1320个，占用151个，占用率11％。
简化的PCI协议的实现占用较少的逻辑资源，可以灵活方便地进行功能添加和改进，同时可以在同一块芯片中集成其他用户模块，实现不同功能，以降低成本。目前，本系统已经应用在数据采集和处理、图像处理等方面
0 引言如果把PC机作为控制系统的 *** 作平台，PCI总线作为一种先进的高性能32／64位局部总线正迅速取代原来的ISA总线的主导地位，以用于高速外设，并成为微型计算机系统的主流系统，因而也成为工程开发人员用于工业控制的首选。为了缩短开发周期，一般都采用专用的接口器件。本文就是采用PLX公司的PCI9052来把PCI总线上的 *** 作转换为对局部总线的 *** 作，同时通过双口RAM实现和下位机的存储转接。针对一般PCI总线开发时由于软硬件分离使开发的软硬件不能很好结合的现象，本文结合实例介绍了应用程序并给出了如何通过DriverStudio开发的PCI设备驱动程序来访问PCI设备卡硬件资源的具体程序。
1 PCI的配置空间及其配置
PCI总线支持存储器地址空间、I／O地址空间和配置空间等三个物理空间。其中，配置空间是PCI总线所特有的一个空间，PCI总线能实现即插即用的功能，正是通过它特有的配置空间来实现的。PCI配置空间的大小为256字节，分为头标区和设备有关区。直接影响设备特性的配置寄存器在头标区，其他部分则因设备而异。PCI总线的配置空间通常与PCI接口芯片相关。该配置空间包括一系列的PCI配置寄存器。本文采用的PCI9052芯片的配置寄存器分为PCI配置寄存器和局部配置寄存器，二者都可以由PCI总线和串行EEPROM访问。
在PCI配置寄存器中的设备ID、制造商ID、版本号、首区类代码、类别代码、指令寄存器和状态寄存器等寄存器在所有的PCI设备中都必须实现，具体设置可参考文献[1]。通常情况下， *** 作系统可使用这些寄存器的内容来决定该PCI设备的加载其驱动程序。
PCI总线最重要的功能之一是通过基地址寄存器和局部配置寄存器在地址空间重定位PCI设备。系统上电时，通过上层应用软件能判断系统中存在那些设备，并建立协调的地址映射。所以，基地址寄存器和局部配置寄存器是实现驱动程序的关键。
PCI配置寄存器提供有6个基地址寄存器(BASE0～BASE5)这些基地址都是系统中的物理地址，其中BASE0和BASE1是用来访问局部配置寄存器的基地址，BASE0是映射到内存的基地址，BASE1是映射到I／O的基地址，可用于通过内存和I／O来访问局部配置寄存器。这两个基地址可固定用于PCI9052芯片的寄存器 *** 作。
通过BASE2～BASE5四个空间最多可以访问局部端所接的4个芯片，实现4个局部地址空间(局部空间0～3)的PCI总线访问。PCI总线对局部端所接芯片的局部地址映射是通过4个寄存器组(PCI基地址寄存器，局部范围寄存器，局部基地址寄存器，局部总线区域描述符)来实现的。这个组定义了每个空间以及相应局部空间的特性。它们将局部端的芯片通过局部端地址(在局部配置寄存器中设置)翻译成PCI总线地址，也就是将本地的芯片映射到系统的内存或I／O口。而片选信号寄存器则是用来选定这些局部端所接的芯片的。这样，用程序 *** 作这一段内存(或I／O)实际上就是对本地芯片的 *** 作。其映射关系如图1所示。这些寄存器的内容必须在芯片复位时通过串行E2PROM进行加载，而正确配置E2PROM的内容则是使用PCI9052的关键。
本设计选取LAS0(Local Address Space 0)来访问局部端的双口RAM芯片中的2 KB寻址空间，与其有关的寄存器有四个：LAS0范围寄存器、LAS0局部基址寄存器、LAS0局部总线区域描述符和片选0基址寄存器。LAS0范围寄存器规定了地址空间的大小。由于需要2 KB的内存空间，而计算机预留了32 KB空间(即8000H)，所以其寄存器值为0xFFFF8000H，而类型则是不可预取的；LAS0局部基地址寄存器定义了设备卡资源上所占用的基地址，它的最终目的是将这个基地址重新映射到PCI地址空间。由于基地址必须是32KB的整数倍，因此，为方便起见，可以将基地址定为00000000H，又由于位0为空间使能位，所以，寄存器的值为00000001H；LAS0局部总线区域描述符用来定义地址空间0的具体工作特性。
该总线采用16位总线宽度，工作方式定义为不使能突发和不预取，因此，该寄存器的数值初步确定为4043A1C0H，最终的值则需要不断测试才能确定；片选0基址寄存器使用PCI9052的CS0#作为双口RAM的片选信号，CS0#片选信号的起始地址和地址范围由片选0基址寄存器设置，局部总线的容量是2 KB，第11位为1，基地址是该范围的16倍，一般将倍数放置在范围位之后，所以寄存器值设置为0xO008401。当从局部空间0基址开始的2 KB空间范围落在CS0基地址寄存器所设置的范围内，CS0端有效，这种方式可减少地址译码得到的片选逻辑。
用PLX9052可将PCI总线上的 *** 作转换为对局部总线的 *** 作，即通过LAD0～LAD7、RD、WR、CS等对局部端芯片访问。如果系统分配给本卡的存储空间为FFFF0000H～FFFF7FFFFH。那么，当系统通过PCI总线访问这个区域时，PLX9052就会应答，并将其转换为局部地址0x0000H～0x07FFH，另外，PLX9052自身也有一些内部寄存器，它们被自动映射到另一片内存区域，可通过PCI总线直接访问。
PCI9052提供了两种类型的中断源(硬件中断和软件中断)。中断可通过PCI9052中断控制／状态寄存器来(INTCSR)允许和禁止。PCI9052通过2个局部中断引脚来实现硬件中断，它们支持边缘和电平触发中断，可以通过对INTCSR寄存器的编程来实现局部中断，然后产生PCI中断(INTA)，并生成PCI中断INTA#方式。PCI9052可以软件方式产生中断，设计时只需要将INTCSR寄存器的软件中断位设置为1即可。
2 驱动程序的开发
在开发PCI板卡功能驱动程序之前，首先要明白所需的PCI硬件资源，并针对设备卡的硬件资源来处理PCI设备的内存、端口的读写，以及中断处理，从而实现PCI设备功能。
2.1 驱动程序在 *** 作系统体系结构中的位置
*** 作系统结构可分为五层模型：
(1)用户应用程序；
(2)IO管理层；
(3)驱动程序；
(4)HAL(硬件抽象层)；
(5)硬件。
图2给出了Windows2000 *** 作系统驱动程序开发者所关心的特征，一般情况下，软件要么在用户模式中执行，要么在内核模式下执行。从驱动开发的角度上看，WDM模型为存在于Win-dows2000系统中的驱动程序提供了一个参考框架。作为Windows2000系统结构开发人员，由于 *** 作系统为应用程序，而在驱动程序和硬件之间提供有系统服务接口和平台相关 *** 作，因此，设计时只需要关注应用程序和设备驱动程序的开发。
2.2 设备资源
PCI设备的硬件资源分配与管理是驱动程序很重要的部分，设备的硬件资源包括内存空间、I／O空间和中断。由于PCI总线为PnP总线，PCI设备的硬件资源是由PCI配置机构动态分配给PCI配置寄存器的，因此，驱动程序首先需要取得这些资源才能 *** 作硬件。当PnP管理器检测到PCI设备时，系统就会发送IRP_MN_START_DEVICE的IRP给驱动程序，驱动程序调用OnStartDevice以启动例程处理，并在启动例程里获取该IRP栈，同时把它包含的系统分配给该设备的资源信息。
用DriverStudio开发驱动程序时，应在Wizard中设置好PCI设备的资源。对于实际的PCI9052设备卡，其基地址寄存器0和1分别固定用于PCI9052局部寄存器的内存映射地址和I／O映射地址，基地址寄存器2则用于设备卡的内存映射地址，并使用局部中断引脚来产生PCI中断，以分别生成对应的KIoRange类、KMemoryRange类和KInterrupt类。这些配置信息由配置管理器发送到OnStartDevice中重载该成员函数，而开发者则不必再处理。在一般情况下，驱动程序无需再访问PCI设备的配置空间，如果需要访问，则可通过类KPciConfiguration，该类包含了通过向PCI总线发送渎写配置空间的IRP *** 作。也可定义类KRe-sourceAssignment来获取PCI的端口地址和中断号以及内存地址和大小，并把得到的资源放在用户自己定义的变量中。
2.3 WDM驱动程序对硬件资源的访问
获取设备的硬件资源以后，就可以对硬件资源进行访问了。对硬件的访问一般包括I／O端口访问和内存访问，它们分别对应PCI配置空间的I／O空间和内存空间。从图2可以看出，当应用程序需要访问设备时，它就会调用Win32API函数(如ReadFile)。Win32子系统模块通过调用平台相关的系统服务接口实现该API，而平台相关的系统服务则调用内核模式来支持例程。即在调用ReadFile函数时，首先到达系统的人口点，然后调用系统服务接口，最后由系统调用内核模式的服务例程。执行时首先检查传递给它们的参数，然后创建一个“I／O请求包(IRP)”的数据结构，并把这个数据结构送到某个驱动程序的入口点执行IRP设备驱动程序，最后再访问硬件。对于PIO方式的设备，一个IRP_MJ_READ *** 作将直接读取设备的端口或设备的内存寄存器。一般会使用硬件抽象层(HAL)来访问硬件。IRP贯穿于驱动程序之间，它在应用程序、驱动程序和设备之间起着桥梁作用，可称之为内核态的“消息”。驱动程序完成一个I／O *** 作后，可通过调用一个特殊内核模式服务例程来完成该IRP，完成 *** 作时再处理IRP的最后工作，以它使等待的应用程序恢复运行。
用DriverStudio开发驱动程序时，可根据配置声明KIoRange类、KMemoryRange类和KInterrupt类来实现对内存空间、I／O空间、中断的 *** 作。在本例中，基地址寄存器0和1固定用于PCI9052芯片的 *** 作寄存器内存映射地址和I／O映射地址，基地址寄存器2则用于双口RAM的内存映射。通过一个外部引脚即可产生中断。标识两个KMem-oryRange类实例、一个KIoRange类实例和一个KInterrupt类实例的具体实现细节如下：
(1) I／O端口的访问
I／O端口的访问流程如图3所示，应用程序通过API函数DeviceIoControl的调用，并调用驱动程序的分发例程DeviceControl，同时通过KIoRange类来实现对I／O映射空间的访问。需要注意的是，当DeviceloControl异步调用的时候，必须在驱动程序中添加取消例程，并在DeviceControl例程中阻止一个应用程序对其的多次调用。KIoRange类的成员函数outb、inb、outw、inw、ind、outd可分别用于从端口读或写一个字节、字和双字数据。在WDM中，对于I／O端口，系统可将其看成寄存器，一般用于数字传输量比较小的地方。在对PCI设备的访问中，I／O端口的访问通常比较频繁。
(2) 内存的访问
在基于DriverStudio开发的驱动程序中，向存储器空间读写大量数据一般选用Write／Read函数，但对于一个实际存在的物理设备的访问，在某一时刻只能进行一个 *** 作，因而在访问内存对象的时候，一般都要求一个IRP排队的队列，可通过设备类的成员函数QueueIrp将IRP插入队列。DriverWorks提供有KDeviceQueue类，其成员函数StartIo用于处理设备对象的IRP队列。具体的 *** 作是通过KMemoryRange类来实现对设备内存映射空间的访问。其访问流程见图4所示。需要注意的是，当IRP队列为空时，调用QueueIrp时，系统将同步调用StartIo函数。
欢迎分享，转载请注明来源：内存溢出
微信扫一扫
支付宝扫一扫
评论列表（0条）