基于CH365芯片的PCI總線接口卡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

ISA(InduSTry Standard Architecture，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu))總線是上世紀(jì)八十年代中期出現(xiàn)的工業(yè)現(xiàn)場控制總線。

ISA總線數(shù)據(jù)傳輸速率較低，又不能動(dòng)態(tài)地分配系統(tǒng)資源，且對CPU占用率高，相應(yīng)的插卡數(shù)量有限，并且如果幾個(gè)設(shè)備同時(shí)調(diào)用共享的系統(tǒng)資源，很容易出現(xiàn)沖突現(xiàn)象。所以ISA總線被PCI總線為代表的新一代計(jì)算機(jī)總線替代成為必然。與ISA總線相比，32位的PCI總線速度更快(數(shù)據(jù)傳輸率為133 Mb／s)、實(shí)時(shí)性更好、可控性更佳，更易于實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)的I／O口控制卡、通信接口卡、數(shù)據(jù)采集卡等。但PCI總線也因其32位地址與數(shù)據(jù)復(fù)用、控制總線及時(shí)序較復(fù)雜等原因?qū)е乱訤PGA實(shí)現(xiàn)比較困難。本文所述通過CH365芯片可以快速實(shí)現(xiàn)PCI接口電路的設(shè)計(jì)，支持ISA總線接口向PCI總線接口的升級，并且由CH365芯片的本地硬件地址功能可以實(shí)現(xiàn)原系統(tǒng)軟件無需修改就可使用，大大降低了板卡升級的時(shí)間周期和開發(fā)難度，具有較高的實(shí)用價(jià)值和推廣價(jià)值。

2 PCI總線的特點(diǎn)

PCI是先進(jìn)的高性能局部總線，可同時(shí)支持多組外圍設(shè)備。其特點(diǎn)是：總線操作與處理器一存儲(chǔ)器子系統(tǒng)操作并行；線性突發(fā)傳輸；極小的存取延誤；不受處理器限制；基于PCI卡設(shè)備信息，全自動(dòng)配置與資源分配，實(shí)現(xiàn)即插即用。

PCI的地址空間有3類：存儲(chǔ)器、I／O和配置地址空間。存儲(chǔ)器空間和I／O空間同以前的ISA總線規(guī)范相同，而配置空間是PCI所特有的。配置空間使系統(tǒng)處理器能夠枚舉PCI總線上的各種設(shè)備，并根據(jù)設(shè)備要求自動(dòng)配置存儲(chǔ)器和I／O的地址空間。操作系統(tǒng)在自檢的過程中檢測所有PCI設(shè)備，讀取設(shè)備的配置信息，并給每一設(shè)備分配系統(tǒng)資源，如中斷、I／O空間、存儲(chǔ)器空間等。在PCI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，為每個(gè)PCI都提供了256個(gè)字節(jié)(至少是前64個(gè)字節(jié))的配置空間，這256個(gè)字節(jié)的配置空間中前64個(gè)字節(jié)稱為頭區(qū)域，是每一個(gè)PCI設(shè)備都應(yīng)該實(shí)現(xiàn)的，他的主要功能是識(shí)別PCI接口設(shè)備，以及PC訪問板卡的方式等。其余的192個(gè)字節(jié)根據(jù)不同的PCI設(shè)備有所不同。

3 PCI接口芯片的選擇

PCI接口電路至少實(shí)現(xiàn)如下功能：

(1) 高速的地址產(chǎn)生單元；

(2) 地址譯碼及命令譯碼單元；

(3) 標(biāo)準(zhǔn)配置寄存器(64個(gè)字節(jié))、PCI總線邏輯接口單元、用戶設(shè)備邏輯接口、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)等。

所以若用FPGA芯片直接設(shè)計(jì)PCI接口則難度大且開發(fā)周期長，而專用的PCI接口芯片可以實(shí)現(xiàn)完整的PCI主控模塊和目標(biāo)模塊接口功能，將復(fù)雜的PCI總線接口轉(zhuǎn)換為相對簡單的接口。

目前常用的PCI專用接口芯片有PLX公司PCI90XX系列，AMCC公司S59XX系列，南京沁恒公司的CH365通用PCI接口芯片。其中南京沁恒公司的CH365是國內(nèi)自主開發(fā)的PCI總線接口芯片，CH365將32位高速PCI總線轉(zhuǎn)換為簡便易用的類似于ISA總線的8位主動(dòng)并行接口，并提供獨(dú)有的本地硬件地址請求功能，適合制作低成本的基于PCI總線的計(jì)算機(jī)板卡，以及將原先基于ISA總線的板卡升級到PCI總線上。另外CH365價(jià)格便宜、使用方法簡單，非常適合用于短周期、低成本PCI接口卡的制作。

CH365是一個(gè)連接PCI總線的通用接口芯片，可將32位高速PCI總線轉(zhuǎn)換為主動(dòng)8位并行接口并提供16位地址，可以進(jìn)行I／O及存儲(chǔ)器的讀和寫，可以設(shè)定PCI板卡的設(shè)備標(biāo)識(shí)。

CH365非突發(fā)存取的實(shí)測速度可達(dá)7 MB／s，寫脈沖的寬度從30～240 ns可選；自動(dòng)分配I／O基址，I／O空間占用256個(gè)，其中偏移00～EFH共240 B的標(biāo)準(zhǔn)的本地I／O端口，而F0～FF為CH365內(nèi)部使用的寄存器，對I／O端口操作只須I／O基址加上偏移量；通過該接口直接升級ISA的I／O板卡到PCI總線，完全不需要修改原ISA卡的相關(guān)軟件；直接映射支持容量為32 kB的存儲(chǔ)器SRAM或者擴(kuò)展ROM(BootROM)，偏移地址0000～7FFFH；提供兩線串行主機(jī)接口，可以掛接類似24C0X的兩線串口E2PROM器件；支持Windows 98／ME／2000／XP，通過DLL提供應(yīng)用層API。

CH365的地址引腳A15～A0用于提供相對于基址的偏移地址，引腳D7～D0為雙向數(shù)據(jù)引腳，與設(shè)備相連。IOP_RD用于提供I／O讀選通信號(hào)，IOP_WR用于提供I／O寫選通信號(hào)，MEM_RD用于提供存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)，MEM_WR用于提供存儲(chǔ)器寫選通信號(hào)，上述引腳均為低電平有效。與PCI總線相連的引腳直接與PCI總線對應(yīng)。

4 PCI接口卡的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

4.1 原ISA接口卡簡介

原ISA總線接口卡是一個(gè)多路數(shù)據(jù)采集板，接口卡所采集數(shù)據(jù)由板上單片機(jī)與ISA總線通過雙口RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。雙口RAM的11位地址線與ISA總線的低口位地址線相連作為局部地址；ISA總線接口板的高位地址與GAL168V芯片相連，由預(yù)先設(shè)置在GAL168V芯片中的地址作為接口板基址；雙口RAM的左數(shù)據(jù)線通過一個(gè)8路總線收發(fā)器隔離后與ISA總線數(shù)據(jù)線相連，右地址線、數(shù)據(jù)線與單片機(jī)相連。

4.2 PCI接口卡的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)PCI總線接口需在原ISA接口板上加上CH365芯片及其周邊電路。CH365芯片與PCI總線的連接符合PCI總線規(guī)范，而CH365芯片提供的本地總線接口端與ISA總線接口類似。為了減少總線接口改變帶來的改動(dòng)，本文利用CH365芯片的本地硬件地址功能設(shè)定接口卡的本地硬件地址。

4.2.1 本地硬件地址功能的實(shí)現(xiàn)

CH365提供一種可以由板卡制造商選定PCI設(shè)備I／O口地址的方法，即本地硬件定址，其原理是將PCI設(shè)備的部分I／O口地址譯碼，通過外圍的二級譯碼電路來實(shí)現(xiàn)。外圍的二級譯碼電路比較簡單，與ISA總線的I／O譯碼電路類似，CH365將PCI總線I／O操作地址同步提供給外圍電路，當(dāng)外圍電路對地址譯碼匹配后，向CH365請求本地硬件定址，再由CH365請求PCI總線在該特定I／O口地址范圍內(nèi)進(jìn)行讀寫操作。

為啟用CH365提供的本地硬件定址功能，需將CH365局部數(shù)據(jù)總線端中D4線弱下拉接地(即設(shè)定值=0)，以設(shè)置CH365工作于本地硬件定址模式。外圍二級譯碼電路可由GAL16V8實(shí)現(xiàn)。

4.2.2 雙口RAM的讀寫

CH365的本地地址線和數(shù)據(jù)線端與雙口RAM相連。雙口RAM允許2個(gè)CPU同時(shí)讀取任何存儲(chǔ)單元(包括同時(shí)讀同一地址單元)，但不允許同時(shí)寫或一讀一寫同一地址單元，否則就會(huì)出現(xiàn)寫入值和讀出值不是期望值的混亂狀態(tài)。雖然雙口RAM本身帶有BUSY控制信號(hào)來協(xié)調(diào)兩端的訪問，但BUSY信號(hào)腳要求與兩側(cè)CPU的READY線相連，而CH365并不具有READY信號(hào)線，因此，需要引入仲裁邏輯控制模塊。常用的雙口RAM解決地址競爭的途徑有：令牌傳遞法、基于郵箱機(jī)制的INT中斷法以及插入等待周期的BUSY法等。在本系統(tǒng)中采用第二種方法。

基于郵箱機(jī)制的INT中斷法的基本思想是：給每個(gè)端口分配一個(gè)地址作為郵箱，比如本系統(tǒng)可以令CH365使用00H，單片機(jī)使用8000H，這兩個(gè)地址用來裝載作為分配兩端口RAM使用權(quán)的依據(jù)數(shù)據(jù)。具體約定為：當(dāng)左端口CH365寫地址單元00H時(shí)，通過邏輯器件可實(shí)現(xiàn)右中斷DSP INT(DSP中斷)為低，向DSP發(fā)出中斷清求，DSP讀地址單元00H時(shí)，DSP INT為高，復(fù)位CH365發(fā)出的中斷請求。同理，當(dāng)右端口寫地址單元8000H時(shí)，左中斷INT REQ(CH365中斷)為低，可向左端口發(fā)出中斷請求；而當(dāng)左端口讀地址8000H時(shí)，INT_REQ為高，復(fù)位DSP發(fā)出的中斷請求。當(dāng)信箱內(nèi)容為00時(shí)，表示正在使用該方端口；當(dāng)信箱內(nèi)容為FFH時(shí)，表示結(jié)束使用該端口。因此，雙方在對端口的其他單元進(jìn)行讀寫操作開始時(shí)，需要向郵箱中寫入00H，操作結(jié)束，寫入FFH。如果沒有發(fā)生爭用，則直接進(jìn)行讀寫操作，否則，慢的一方產(chǎn)生中斷，并查詢對方郵箱，直到對方郵箱內(nèi)容為FFH。具體實(shí)現(xiàn)可借助CPLD來完成。

4.2.3 PCI接口卡設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題

PCI接口作為高頻數(shù)字電路，電磁兼容設(shè)計(jì)尤為重要，在設(shè)計(jì)PCB板時(shí)需要參考PCI總線規(guī)范。CH365的PCI信號(hào)的走線長度應(yīng)小于35 mm，盡量走弧線或者45°線，信號(hào)布線盡量在元件面，在PCB背面保留大面積接地覆銅。CH365芯片有3對電源引腳，在制作印制板時(shí)，應(yīng)在每對電源附近放置高頻消磁退耦電容。

5 結(jié) 語

本文所述，通過增加一片CH365芯片，采用硬件地址方式所設(shè)計(jì)的PCI接口卡，可獲得和原ISA卡完全相同的性能。而用戶計(jì)算機(jī)控制程序不用作任何修改，僅僅在PCI板卡插入計(jì)算機(jī)過程中，添加CH365芯片的驅(qū)動(dòng)程序而已，從而避開繁雜的PCI總線接口規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，大大簡化了PCI接口卡設(shè)計(jì)的難度，同時(shí)也極大地降低了PCI卡開發(fā)和制造的成本，具有較好的市場前景。本文所升級的PCI接口卡已經(jīng)實(shí)際使用，功能正常，取得了很好的效果。