嵌入式系统的PCI接口设计

1引言

通常意义的计算机系统结构是以CPU为中心，再辅以存储系统和I／O接口构成。其功能主要用于数值计算和数据处理。而嵌入式系统是将CPU作为部件嵌入到系统中，此时的CPU并不是用于通用计算。嵌入式系统的主要特点是针对性强和实时性强、可靠性高、体积小、功耗低，可广泛应用于个人数字助理、数码相机、数字电视、通信、工业测控系统以及导弹控制等诸多领域。嵌入式系统的设计过程包括：需求论证、规格说明、体系结构设计、硬件和软件构件设计以及系统集成等。较好的方法是采用统一的建模语言（UML）来描述设计任务。这是一种面向对象的建模语言，它可将设计描述为许多交互的对象，这些对象对应系统中的软件和硬件。与嵌入式系统紧密相关的概念还包括实时操作系统（RTOS）、在片系统（SOC）和硬件描述语言（HDL）。所以说嵌入式系统的设计是一个“系统工程”。

以MPC8260为CPU，再加上PLX9656的64bit／66MHz PCI接口所组成的嵌入式系统有很高的性能，其数据吞吐量可达几百MB／S。其中MPC8260是MOTOROLA公司生产的具有603eTM核及通信处理模块（CPM）的高性能、高集成度CPU。它在片内集成了存储管理单元（MMU）、系统接口单元（SIU）、64位60x总线和32位本地总线以及强大的网络接口（三个FCC、两个MCC、四个SCC、两个SMC等）。

嵌入式系统有两种工作模式：第一种为附属工作方式，该方式将嵌入式系统设计成板卡形式，并通过主机的PCI接口进行数据传输。这种方式具有一定的独立性，可承担某项特定的任务，从而可使主机CPU的开销大大减少。常用的视频压缩卡、工业数据采集卡等都属此种类型。第二种工作模式为独立工作方式。该方式由于嵌入式系统本身含有CPU，因而是一个自主的系统和功能单元，能独立完成某项任务，并可通过网络接口（如以太网、ATM、HDLC／SDLC等）或通道（如SCSI、USB等）将数据传输给服务器，以实现数据的传输与管理。其典型产品有机顶盒、磁盘阵列控制器等。

2 PCI规范及其接口芯片

第一个PCI技术规范1．0版本于1992年6月面世，到1999年2月发布了2．2版，不久前又公布了PCIX规范。PCI的位数由32位扩展为64位，频率从33MHz提高到133MHz。该规范是处理器、存储器总线至周边设备扩展的桥梁，根据PCI桥接的对象可分为Host／PCI桥（北桥）和PCI／SA桥（南桥），它们可一起构成芯片组。PCI接口芯片通过配置和编程可将其数据空间映射为Memory和I／O方式；其数据传送既可以是单数据段读写，又可以是突发方式、中断方式或DMA方式。

许多厂商（如AMCC、IBM、PLX等）都可提供PCI接口芯片，图1所示是PLX的64bit／66MHz PCI接口芯片PLX9656的结构框图。

PLX9656符合PCIr2．2、CompactPCIr1．0及PCI热插拔r1．0规范。它可配置为M模式（可与Motorola的MPC850、MPC860无缝接口）、C模式（为非复用地址／数据方式，可与DSP、ASIC和FPGA接口）和J模式（为复用地址／数据方式，可与IBMPoweerPC401和IOP480接口）。此外，它还具有以下特点：

●采用先进的Direct Master、Direct Slave和DMA数据传输技术，其迸发数据传输率PCIBus端为528MB／s，Local Bus端为264MB／s；

●I2OTM信息单元包括8个32位邮箱寄存器和2个32位门铃寄存器；

●PCI仲裁器支持7个外部主设备；

●带有可编程中断产生器及串行EEPROM接口。

3硬联逻辑设计

PCI接口芯片的主要功能是桥接CPU端的LocalBus与PCI总线。另外，还必须通过串行总线上的EEPROM来配置PCI芯片的初始工作方式。PLX9656的三种工作模式（M、C和J）可以和大多数CPU和DSP接口。其中M模式是专为MOTOROLA的POW－ERPC系列CPU而设计的接口模式。

由PLX9656与MPC8260组成的最小系统至少应包括以下几个组成部分：FLASH、SDRAM、SRAM、PCI连接器、JTAG端口、时钟、复位、电源、EEPROM、以太网接口、ATM和RS232串行口等。

PLX9656信号线包括PCI端信号、Local Bus端地址与数据、控制信号、电源和地。其中前两项占了信号数量的绝大部分。为了保证信号的可靠传输，芯片上用很多引脚作电源和地，这些引脚在布线时应仔细连接，并应大面积敷铜，同时还要连接滤波电容。另外要注意的是：MPC8260有60x Bus和LocalBus两条总线，前者为MPC8260与外界的接口总线，所以应将PLX9656的Local Bus信号与MPC8260的60x Bus连接。图2所示是系统的硬联逻辑框图。

4驱动程序

开发Windows环境和Linux环境的驱动程序有很大不同。

4．1 Windows环境中驱动程序的编写

由于Windows操作系统被Microsoft所垄断，它是一个封闭的操作系统，因此很难将用户驱动程序挂接到Windows操作系统中。通常要利用一些开发工具，如Microsoft的DDK、Numega的DriverStudio和Jungo的WinDriver等。因而应首先是由它们生成驱动程序的框架后，再导入到Microsoft的Visual C＋＋中，在填入与设计对象相关的代码后，最后由build生成Windows环境下的驱动程序。

PLX公司的PLX9656RDK提供了Windows API及其源代码和调试工具PLXMon。利用这些针对PLX芯片的API可以驱动PCI接口，而且其编程工作也非常快捷。

PLX芯片的初始化函数原型为：

S8 Select Device（DEVICE＿LOCATION＊pDev）；

它可提供很多对PCI的接口操作，其中包括寄存器读／写、中断允许／禁止、获取中断状态、IOP总线读／写、IOP端口读／写、电源管理、热插拔功能、VPD读／写、EEPROM读／写、邮箱寄存器读／写、门铃寄存器读／写、DMA控制／状态、DMA块通道操作、DMASgl通道操作以及DMAShuttle通道操作等。

在对PLX芯片进行初始化后，便可利用PLX9656RDK提供的上述功能对PCI接口进行操作。

4．2 Linux环境下驱动程序编写

Linux是源代码开放型操作系统。在这种系统中，用户自编的设备驱动程序可以和原操作系统的驱动程序享有同等的“地位”。Linux环境下，驱动程序的编写有两种方式，一种是基于内核的，另一种是基于模块的。前一种方式是将驱动程序直接注册在相应的系统文件中，然后在操作系统启动时将它装载在内存中使用；后一种方式则通过命令行insmod和mmod来加载和卸载驱动程序模块，因此比较方便灵活。

Linux对设备的操作与对文件的操作一致，所有的驱动程序都毫不例外地要使用file operations结构。其中的read、write、ioctl、mmap、open、release指针分别指向用户编写的驱动程序的相关操作。

每个PCI设备均可由总线号、设备号和功能号来确定，它共有三个访问空间，即内存空间、I／O端口和配置寄存器。配置空间用于决定PCI器件的工作方式和映射到系统中的地址。其基本功能函数如下：

访问I／O和内存空间时，要根据配置寄存器中PCL-BASE-ADDRESS-i(i=0...5)所给定的基地址来读写数据。

5嵌入式系统的实现

嵌入式系统的开发平台包括Host（主机）和Tar－get（目标）两部分。通常，Host和Target的硬件构架（如x86、PowerPC、ARM、MIPS等）和操作系统都不尽相同。因此需要用CDK（交叉开发工具包）把在Host上开发的代码下载到Target上。此开发平台的模型如图3所示。

由于主机上资源丰富（如功能强大的操作系统和应用软件、CRT显示输出和打印机硬拷贝输出、键盘和鼠标输入等），因此调试起来非常便捷。针对不同的目标系统，HardHat CDK有不同的开发工具包，但开发流程及工具的使用几乎一样。首先用相应目标系统的交叉编译器将源程序编译为可执行文件，再将可执行文件拷贝到目标系统的NFS目录下，待目标系统装载内核并引导后，便可调试和运行应用程序了。程序调试成功后，就可以使用EmbeddedPlanet公司的Planet Core来将应用程序烧录到目标板的FLASH中，这样，目标板就成了可独立运行的嵌入式系统了。

6小结

由MPC8260和PLX9656构成的嵌入式系统有着广阔的应用前景。可应用于高性能通信系统中的WAN／LAN控制卡、高速MODEM卡、帧中继卡、路由和交换机等，处理器集成的ATM、T1／E1及以太网等通信通道均能很好地支持上述通信功能；另外还支持高速PC适配卡、CompctPCI接口卡以及嵌入式主机系统等。由于PLX9656具有数据管道构架的直接传输方式，因而可方便的用于PCI及Local Bus端的I／O和设备的高速数据传输。

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