PCI9656接口芯片的應(yīng)用設(shè)計

張軍　劉沖

摘要：PCI9656是PLX推出的一種支持66MHz、64位訪問的PCI接口芯片。本文介紹了PCI9656的特點(diǎn)及工作模式，并以在某機(jī)載電子設(shè)備的應(yīng)用實(shí)例，給出其工作原理和硬件實(shí)現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：PCI總線；PCI9656；內(nèi)總線；橋片；串行總線

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）05-0263-03

1 概述

1.1 PCI總線簡介

PCI（Peripheral Component Interconnect）總線最早作為微型計算機(jī)外圍設(shè)備互聯(lián)局部并行總線?；赑CI，國際工業(yè)計算機(jī)制造者聯(lián)合會在1994年提出了一種高性能的工業(yè)用總線接口標(biāo)準(zhǔn)CPCI（Compact Peripheral Component Interconnect）。目前，PCI總線作為局部總線已廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。PCI總線的理論最高數(shù)據(jù)傳輸率為132MB/s（33MHz*32bit/8），當(dāng)時鐘頻率升級到66MHz，數(shù)據(jù)寬度升級到64位，數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)528MB/s，可滿足大多數(shù)應(yīng)用的需求。

PCI總線是一種樹形結(jié)構(gòu)，獨(dú)立于CPU運(yùn)行。PCI總線上可以掛接的設(shè)備包括PCI主設(shè)備、PCI從設(shè)備和PCI橋片。同一時刻，PCI主設(shè)備只允許有一個，PCI從設(shè)備和PCI橋片多個之間可以共存。

圖 1是PCI總線的信號，分為可選信號和必需信號。共120條信號，其中可選信號51條，主設(shè)備必需信號49條，目標(biāo)設(shè)備必需信號47條；PCI信號可以分成以下幾大類：（1）系統(tǒng)控制類： CLK，PCI設(shè)備工作參考時鐘，為所有的PCI總線操作提供時序，對于所有的PCI設(shè)備均為輸入信號，其頻率支持33MHz或66MHz，上升沿有效 和RST ，PCI總線復(fù)位信號，用來使所有PCI設(shè)備的寄存器和信號為初始狀態(tài)；（2）傳輸控制： 幀周期信號FRAME，由主設(shè)備驅(qū)動，表示一次總線傳輸?shù)拈_始和持續(xù)時間，當(dāng)FRAME有效時預(yù)示總線傳輸?shù)拈_始，當(dāng)FRAME信號無效時，預(yù)示總線傳輸結(jié)束； IRDY標(biāo)志PCI總線發(fā)起者可以傳輸數(shù)據(jù)，DEVSEL當(dāng)目標(biāo)設(shè)備發(fā)現(xiàn)自己被尋址時置低應(yīng)答；TRDY標(biāo)志目標(biāo)設(shè)備可以轉(zhuǎn)輸數(shù)據(jù)，STOP目標(biāo)設(shè)備主動結(jié)束傳輸數(shù)據(jù)的信號，IDSEL在即插即用系統(tǒng)啟動時用于選中板卡的信號；（3）地址與數(shù)據(jù)總線： AD[63：：0]地址/數(shù)據(jù)分時復(fù)用總線，C/BE[7：：0]命今/字節(jié)使能信號，PAR奇偶校驗信號，它對AD[63：：0]和C/BE[7：：0]進(jìn)行校驗，總線發(fā)起者為地址周期和寫數(shù)據(jù)周期驅(qū)動PAR，目標(biāo)設(shè)備為讀數(shù)據(jù)周期驅(qū)動PAR；（11）仲裁信號： PCI總線發(fā)起者用來請求總線使用權(quán)的信號REQ， PCI總線仲裁設(shè)備允許發(fā)起者得到總線使用權(quán)的信號GNT；（12）錯誤報告： PERR數(shù)據(jù)奇偶校驗錯 和SERR#系統(tǒng)奇偶校驗錯。

PCI一次總線操作過程是：PCI總線操作發(fā)起者發(fā)起請求（置REQ#），PCI總線仲裁器發(fā)許可（置GNT#）；操作發(fā)起者開啟一個總線操作（置FRAME#），并說明請求地址（置AD0～AD63）和請求類型（置C/BE0～C/BE7）；PCI操作的目標(biāo)設(shè)備聲明被選中（置DEVSEL）；當(dāng)發(fā)起者準(zhǔn)備完畢（置IRDY#）和目標(biāo)設(shè)備準(zhǔn)備完畢（置TRDY#）后，執(zhí)行總線操作（置AD0～AD63）；當(dāng)總線操作執(zhí)行完畢后，發(fā)起者結(jié)束總線操作（清FRAME#）。

1.3PCI總線特點(diǎn)

PCI總線的特點(diǎn)包括：1）并發(fā)處理，支持32位或64位并行總線且總線操作與處理器操作并行；2）良好擴(kuò)展性，支持即插即用；3）數(shù)據(jù)傳輸高性能，最高數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)528MB/S；4）復(fù)雜性，PCI總線強(qiáng)大的功能增加了硬件和軟件實(shí)現(xiàn)難度。硬件上要采用大容量、高速度的CPLD或FPGA芯片來實(shí)現(xiàn)PCI總線復(fù)雜的功能。軟件上則要根據(jù)所用的操作系統(tǒng)，用軟件工具編制設(shè)備驅(qū)動程序。

1.3 PCI接口實(shí)現(xiàn)途徑

由于PCI總線協(xié)議的復(fù)雜性，PCI總線接口實(shí)現(xiàn)方式包括利用可編程邏輯器件+IP核實(shí)現(xiàn)以及通過專用PCI接口芯片實(shí)現(xiàn)。第一種實(shí)現(xiàn)方式較靈活但是實(shí)現(xiàn)難度較大且價格昂貴，第二種實(shí)現(xiàn)方式由于實(shí)現(xiàn)簡單且價格低廉而被廣泛應(yīng)用。目前應(yīng)用較多的PCI總線接口芯片是AMCC公司的S59xx系列芯片和PLX公司的PLX系列芯片。

2 PCI9656簡介

PCI9656是PLX公司為擴(kuò)展適配板卡推出的能提供混合高性能PCI總線接口芯片，該接口芯片可提供用于適配卡的小型高性能64位PCI總線目標(biāo)接口。

2.1 PCI9656的特點(diǎn)

PCI9656作為PCI總線和處理器內(nèi)總線的接口轉(zhuǎn)換芯片的主要特點(diǎn)包括：1）兼容PCI r2.2協(xié)議規(guī)范，支持64位、66MHz時鐘PCI總線；2）采用PLX數(shù)據(jù)流水線架構(gòu)（Data Pipe Architecture）技術(shù)，配有DMA引擎、可編程直接主控或者直接從屬數(shù)據(jù)傳輸模式以及PCI信息傳輸功能；3）可以和三種內(nèi)總線類型的處理器進(jìn)行直連；4）具有PCI優(yōu)先判決器，可以支持7個外部主控器；5）可以由2個局部總線中斷信號LINTi和LINTo生成一個PCI中斷信號INTA；6）局部時鐘與PCI時鐘異步工作，允許局部總線獨(dú)立于PCI時鐘工作。支持內(nèi)總線是PCI時鐘異步；7）核電壓為CMOS 2.5V，I/O為3.3V；8）PCI總線端和內(nèi)總線端兼容3.3V和5V；9）支持三種數(shù)據(jù)傳輸模式（Direct Master、Direct Slave及DMA）；10）寄存器兼容PCI 9060， PCI 9080，PCI 9054和PCI 9056，可容易地進(jìn)行基于32位PCI總線與基于64位PCI總線的軟件移植；11）支持多路復(fù)用和非多路復(fù)用的8位、16位和32位66MHz時鐘局部總線；12）可直接生成所有的控制、地址和數(shù)據(jù)信號以驅(qū)動PCI總線，不需要額外驅(qū)動電路；13）可通過消息管理系統(tǒng)I/O，并提供2種方式選擇，一是通過郵箱寄存器和門鈴寄存器，二是通過所提供的I2O接口。

2.2 PCI9656工作模式

PCI的內(nèi)總線端的工作模式共三種：1）M模式：便于與Motorola及PowerPC處理器相連；2）J模式：復(fù)用的地址/數(shù)據(jù)總線；3）C模式：非復(fù)用的地址/數(shù)據(jù)總線。要根據(jù)內(nèi)總線端的實(shí)際情況設(shè)置PCI9656的工作模式。

3 PCI9656應(yīng)用

3.1 應(yīng)用背景

如圖 2所示，某機(jī)載電子設(shè)備主要用于通過串行總線（ARINC429、RS422和RS232等）接收飛行參數(shù)等信息將生成視頻畫面供飛行員觀察，同時將設(shè)備的狀態(tài)等信息通過串行總線進(jìn)行上報。

其中CPU模塊和顯卡借用成熟產(chǎn)品，IO模塊為適應(yīng)某機(jī)載電子設(shè)備應(yīng)用環(huán)境新研。CPU模塊和顯卡之間的接口為PCI（33MHz，32bit）。CPU模塊由于未預(yù)留高速串行總線，低速串行總線（例如RS422）無法滿足和IO模塊數(shù)據(jù)量交換的要求。CPU模塊和顯卡之間只傳遞少量的顯示參數(shù)信息，PCI總線空閑有大量空閑周期。經(jīng)過計算，CPU模塊和IO模塊之間的數(shù)據(jù)量利用PCI總線空閑周期進(jìn)行傳遞完全滿足要求。

經(jīng)過調(diào)研，利用PCI9656芯片作為CPU模塊和IO模塊之間PCI總線轉(zhuǎn)內(nèi)總線的實(shí)現(xiàn)方法設(shè)計較簡單、進(jìn)度可控。

3.2 硬件設(shè)計

如圖 3所示，IO模塊主要包括：1）處理器單元，由ARM處理器LPC2294組成，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制和處理的功能；2）PCI橋片單元，由PCI9656組成，完成PCI總線和內(nèi)總線單元轉(zhuǎn)換；3）數(shù)據(jù)交換單元，由雙口RAM組成，存儲CPU模塊和IO模塊需交換數(shù)據(jù)；4）邏輯控制單元：由CPLD組成，完成整體模塊的上電復(fù)位、外部復(fù)位和看門狗復(fù)位及一些芯片的片選使能、數(shù)據(jù)處理和一些時鐘信號的產(chǎn)生等功能；5）離散量輸入、輸出單元，由驅(qū)動器和光耦組成，對外提供8路離散量輸入（兼容TTL和LVTTL）、8路離散量輸出（TTL和LVTTL可調(diào)）；6）溫度和振動采集單元，包括溫度傳感器和振動傳感器，完成溫度信息和振動信息的采集功能；7）串行總線接口單元，包含7路全雙工422、4路半雙工422、3路232及2發(fā)1收429等串行總線，完成同外部設(shè)備的通信；8）電源單元，由多片二次電源芯片組成，為系統(tǒng)各單元電路提供工作電源。

3.3 IO模塊設(shè)計要點(diǎn)

IO模塊的難點(diǎn)在于PCI9656的配置，設(shè)計要點(diǎn)包括：

1）上電復(fù)位：在上電時，PCI總線的RST信號將PCI9656的內(nèi)部寄存器設(shè)置為缺省值，同時，PCI9656輸出局部復(fù)位信號（LRESET）并檢查EEPROM 是否存在。如果有EEPROM且該EEPROM的第一個16字節(jié)非空，則PCI9656將根據(jù)EEPROM內(nèi)容設(shè)置內(nèi)部寄存器，否則不進(jìn)行設(shè)置。IO模塊在設(shè)計采用由CPLD輸出復(fù)位信號給PCI9656，且不使用EEPROM。

2）PCI9656的寄存器配置方式：PCI9656依據(jù)PCI總線規(guī)范提供一系列內(nèi)部寄存器為總線接口設(shè)計提供了極大的靈活性。這些寄存器主要包括配置寄存器、局部配置寄存器、DMA寄存器、運(yùn)行時間寄存器和消息隊列寄存器等。對PCI9656寄存器進(jìn)行讀寫操作的單位可以是字節(jié)、字、雙字，訪問PCI9656的存儲器可以是突發(fā)的或者非突發(fā)的。為減少硬件復(fù)雜度和配置靈活性，IO模塊在設(shè)計中使用CPU模塊軟件來通過PCI地址空間BASE0配置PCI9656的寄存器，并且配置成直接數(shù)據(jù)訪問模式將BASE2地址空間映射到雙口RAM。

3.4 設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸原理

設(shè)置PCI9656芯片工作于C模式，32位數(shù)據(jù)和32位地址線。處理器單元周期接收外部設(shè)備發(fā)送的穿行總線數(shù)據(jù)并將接收的串行總線數(shù)據(jù)按照指定格式放置到雙口RAM的指定位置，CPU模塊在使用時通過PCI9656橋片訪問雙口RAM讀取串行總線信息，然后將數(shù)據(jù)送顯卡進(jìn)行視頻畫面生成。

4 結(jié)束語

PCI9656是一款性價比較高的PCI接口橋片，提供了一種PCI總線轉(zhuǎn)處理器內(nèi)總線的實(shí)現(xiàn)方式，降低了設(shè)計的復(fù)雜性，具有較高的應(yīng)用價值。本文介紹的PCI9656應(yīng)用對于類似機(jī)載設(shè)備的設(shè)計具有一定的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

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