基于MPC8280的PCI驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

王 敏

(廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司網(wǎng)通分公司，廣東廣州 510663)

近年來，多媒體通信技術(shù)應(yīng)用迅猛發(fā)展，對(duì)網(wǎng)速的要求也迅速提升。為適應(yīng)這一趨勢(shì)，與網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的終端設(shè)備和路由交換設(shè)備的性能均亟需提升［1］。在當(dāng)今中國(guó)，計(jì)算機(jī)作為網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備，網(wǎng)口的標(biāo)配速率已由100 Mbit·s－1改為1000 Mbit·s－1，交換機(jī)、路由器等作為路由交換設(shè)備，交換容量量級(jí)也由原來100 Mbit·s－1上升到 1000 Mbit·s－1甚至 10 Gbit·s－1［2］。MPC8280是由Freescale公司推出的雙地址總線雙處理器芯片，自其推出以來，因其豐富的外圍接口［3］已在航空航天、通信電子、醫(yī)療器械、交通設(shè)施等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，然而在今日迫切需求的大容量路由交換領(lǐng)域，卻因其最高主頻為450 MHz的限制，依靠運(yùn)行在MPC8280上的軟件扣除中斷處理、系統(tǒng)管理等開銷外，實(shí)現(xiàn)的交換容量?jī)H為40 Mbit·s－1，在多路千兆交換應(yīng)用中存在性能瓶頸。利用MPC8280的PCI口外接千兆交換芯片BCM56514，使得運(yùn)行在MPC8280上的軟件僅作路由計(jì)算和路由表的維護(hù)，而將交換控制交由BCM56514實(shí)現(xiàn)，可突破性能瓶頸。完成PCI驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)是這一方法能得以實(shí)施的先決條件，MPC8280通過PCI內(nèi)存空間讀寫操作、配置空間讀寫操作和I/O空間讀寫操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)交換芯片的配置、控制及路由表的更新，從而使MPC8280在大容量路由交換領(lǐng)域得到成熟應(yīng)用。

1 PCI知識(shí)介紹

PCI為Peripheral Component Interconnect的縮寫，是一種總線規(guī)范，用于外圍設(shè)備互聯(lián)。目前使用2.2版本的PCI規(guī)范。主要由時(shí)鐘信號(hào)(PCI_CLK)、控制信 號(hào) (FRAME、IRDY、DEVSEL、TRADY、STOP、IDSEL)、地址數(shù)據(jù)復(fù)用信號(hào)AD［31:0］及校驗(yàn)和錯(cuò)誤指示信號(hào)(SERR、PERR)構(gòu)成。地址和數(shù)據(jù)信號(hào)可擴(kuò)展到64 bit，時(shí)鐘信號(hào)常用33 MHz，可擴(kuò)展到66 MHz，速率可達(dá)528 MByte/s［4］。采用分段分層結(jié)構(gòu)，其總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 PCI總線拓?fù)?/p>

2 PCI驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

PCI驅(qū)動(dòng)通過配置寄存器，完成總線初始化，并提供PCI配置空間讀寫、PCI內(nèi)存空間讀寫、PCI I/O空間讀寫和中斷函數(shù)接口［5］。上層應(yīng)用利用這些操作接口發(fā)現(xiàn)外部交換芯片，并能獲取交換芯片信息［6］，實(shí)現(xiàn)對(duì)外接交換芯片的配置管理、路由表更新、狀態(tài)回讀等操作，最終實(shí)現(xiàn)PCI驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。

2.1 PCI驅(qū)動(dòng)流程設(shè)計(jì)

首先通過設(shè)置寄存器，使芯片跳出PCI重啟狀態(tài)，接著根據(jù)系統(tǒng)的地址分配對(duì)Outbound和Inbound寄存器組進(jìn)行配置，然后對(duì)PCI使用的字節(jié)序、錯(cuò)誤狀態(tài)和Master模式進(jìn)行配置，最后使能PCI內(nèi)存空間讀寫和配置空間讀寫。使用UML的活動(dòng)圖對(duì)PCI驅(qū)動(dòng)流程設(shè)計(jì)建模如圖2所示。

圖2 PCI驅(qū)動(dòng)初始化流程

2.2 配置空間讀寫設(shè)計(jì)

指令按照一定的數(shù)據(jù)格式優(yōu)先寫到CONFIG_ADDR寄存器，然后通過向CONFIG_DATA寄存器填入數(shù)據(jù)，完成寫操作，或從CONFIG_DATA讀出數(shù)據(jù)，完成讀操作。無論CONFIG_ADDR寄存器的數(shù)據(jù)是否需要改變，每次操作都必須先對(duì)CONFIG_ADDR寄存器操作，然后才可對(duì)CONFIG_DATA寄存器操作，否則操作無效［7］。指令數(shù)據(jù)格式如圖3所示。

圖3 配置空間讀寫指令格式

配置空間操作時(shí)，地址譯碼過程如下:例如Device Number為0b01011時(shí)，對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)為11，則 Bit［31∶11］中的 Bit11 置 1，其他 Bit為 0，此時(shí)在硬件上將IDSEL信號(hào)連接到Bit11的PCI設(shè)備將被選中;若Device Number為0b01100時(shí)，對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)為12，則 Bit［31∶11］中的 Bit12 置 1，其他 Bit為 0，此時(shí)在硬件上將IDSEL信號(hào)連接到Bit12的PCI設(shè)備將被選中;Device Number的特殊定義如下:0b01010將選定Bit［31］;0b11111將執(zhí)行特別操作;0b00000將對(duì) PCI橋自身進(jìn)行操作。譯碼結(jié)果的格式如圖4所示。

圖4 Type0操作譯碼結(jié)果格式

共有兩種操作類型:Type 0操作和Type1操作。Type 0操作適用于目標(biāo)設(shè)備和PCI橋在同一總線上，PCI橋直接根據(jù)從上層總線接收到指令中的Device Number進(jìn)行地址譯碼，并將 Bit［31∶11］數(shù)據(jù)中對(duì)應(yīng)的Bit置1，Bit［1∶0］設(shè)置成 0x00，在 PCI總線配置操作的地址時(shí)段，將譯碼結(jié)果發(fā)送到PCI總線的AD［31∶0］上。

Type1操作適用于目標(biāo)設(shè)備和PCI橋不在同一總線上，需經(jīng)過PCI橋?qū)⑼暾臄?shù)據(jù)繼續(xù)向下傳遞。當(dāng)PCI橋在配置空間操作的地址時(shí)隙從AD［31∶0］收到指令時(shí)，判斷目標(biāo)設(shè)備是否在其負(fù)責(zé)的范圍內(nèi)，若不在，將不處理。若在，則將AD［31∶0］的數(shù)據(jù)和PCI_C/_BE完整的向下傳遞;若發(fā)現(xiàn)目標(biāo)設(shè)備為本層設(shè)備，將操作變?yōu)門ype0操作，選中目標(biāo)設(shè)備。

2.3 內(nèi)存空間讀寫設(shè)計(jì)

MPC8280的 PCI內(nèi)存讀寫分為MPC8280主動(dòng)發(fā)起的PCI內(nèi)存空間讀寫和MPC8280被動(dòng)引起的PCI內(nèi)存空間讀寫。在進(jìn)行PCI內(nèi)存空間讀寫時(shí)，需地址譯碼［8］。

MPC8280主動(dòng)發(fā)起的 PCI內(nèi)存空間讀寫，MPC8280側(cè)地址譯碼流程如圖5所示。先對(duì)操作地址進(jìn)行判斷，若落在MPC8280的內(nèi)部存儲(chǔ)器映射寄存器(IMMR)范圍內(nèi)，接著就需判斷是否落在PCI寄存器，根據(jù)判斷結(jié)果決定是否對(duì)PCI寄存器進(jìn)行操作或不做處理。若不是落在MPC8280的IMMR范圍，需判讀是否落在PCI OutBound空間，若落于PCI OutBound空間，則需根據(jù)寄存器的配置，對(duì)地址進(jìn)行譯碼，并將譯碼后的結(jié)果在地址時(shí)隙被發(fā)送到PCI總線的地址管腳，若未落在PCI OutBound空間，卻落于 PCIBR0或PCIBR1寄存器定義的范圍內(nèi)，則將地址直接通過地址時(shí)隙發(fā)送至PCI總線的地址管腳［3］。

圖5 MPC8280主動(dòng)發(fā)起的PCI內(nèi)存空間讀寫的地址譯碼流程

MPC8280被動(dòng)引起的PCI內(nèi)存空間讀寫，即由外部PCI主機(jī)(PCI Master)通過 PCI對(duì) MPC8280發(fā)起PCI內(nèi)存空間讀寫，MPC8280側(cè)地址譯碼流程如圖6所示。MPC8280在收到外部發(fā)起的PCI數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，會(huì)判斷PCI總線上的地址是否落在寄存器定義的PCI Inbound空間或是落于PIMMR空間。若是，就根據(jù)寄存器配置，對(duì)外部PCI總線上的地址進(jìn)行譯碼，然后判斷譯碼后的地址是否落在PCI內(nèi)存空間，若落于PCI內(nèi)存空間，則進(jìn)行數(shù)據(jù)操作，并設(shè)置Devsel信號(hào)，否則將進(jìn)行 60x 總線操作［3，9－10］。

圖6 MPC8280被動(dòng)引起的PCI內(nèi)存空間讀寫的地址譯碼流程

2.4 I/O空間讀寫設(shè)計(jì)

PCI的I/O空間讀寫流程可參見內(nèi)存空間讀寫流程［9］，其與內(nèi)存空間讀寫的不同在于:在配置時(shí)，對(duì)應(yīng)的InBound空間和OutBound空間配置為I/O空間，AD［31∶0］中所有 bit為其提供一個(gè)完整的地址，AD［1∶0］用來產(chǎn)生Devsel信號(hào)和本次傳輸中最低有效的字節(jié)數(shù);而內(nèi)存空間地址譯碼只使用AD［31∶2］，這說明內(nèi)存空間操作時(shí)，每次操作傳送4 Byte數(shù)據(jù)，操作后地址將遞增4，以備進(jìn)行后續(xù)傳送。

3 結(jié)束語(yǔ)

PCI初始化配置完畢后，CPU通過線程調(diào)用PCI配置空間讀寫函數(shù)對(duì)外部的交換芯片進(jìn)行輪詢探測(cè)，正確獲取了BCM56514的設(shè)備ID為B514［10］，成功發(fā)現(xiàn)BCM56514芯片，進(jìn)而對(duì)BCM56514進(jìn)行了配置和管理，并通過調(diào)用PCI內(nèi)存空間讀寫函數(shù)和I/O空間讀寫函數(shù)對(duì)BCM56514的內(nèi)存空間和I/O空間進(jìn)行了讀寫測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了與BCM56514的數(shù)據(jù)信息交互，為實(shí)現(xiàn)MPC8280在大容量路由交換領(lǐng)域得到成熟應(yīng)用提供了接口驅(qū)動(dòng)支持。

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