來源：國外電子元器件 作者： 朱勇

　　摘 要：論述了PLX公司的64位、66MHz的PCI接口芯片PLX9656與Mortorola公司的嵌入式處理器MPC8260的PCI接口設計，闡述了嵌入式系統設計的原理及方法，同時介紹相關的開發設計工具。

　　關鍵詞：嵌入式；PCI；硬聯邏輯；接口設計；PLX9656；MPC8260

　　1引言

　　通常意義的計算機系統結構是以CPU為中心，再輔以存儲系統和I／O接口構成。其功能主要用于數值計算和數據處理。而嵌入式系統是將CPU作為部件嵌入到系統中，此時的CPU并不是用于通用計算。嵌入式系統的主要特點是針對性強和實時性強、可靠性高、體積小、功耗低，可廣泛應用于個人數字助理、數碼相機、數字電視、通信、工業測控系統以及導彈控制等諸多領域。嵌入式系統的設計過程包括：需求論證、規格說明、體系結構設計、硬件和軟件構件設計以及系統集成等。較好的方法是采用統一的建模語言（UML）來描述設計任務。這是一種面向對象的建模語言，它可將設計描述為許多交互的對象，這些對象對應系統中的軟件和硬件。與嵌入式系統緊密相關的概念還包括實時操作系統（RTOS）、在片系統（SOC）和硬件描述語言（HDL）。所以說嵌入式系統的設計是一個“系統工程”。

　　以MPC8260為CPU，再加上PLX9656的64bit／66MHz PCI接口所組成的嵌入式系統有很高的性能，其數據吞吐量可達幾百MB／S。其中MPC8260是MOTOROLA公司生產的具有603eTM核及通信處理模塊（CPM）的高性能、高集成度CPU。它在片內集成了存儲管理單元（MMU）、系統接口單元（SIU）、64位60x總線和32位本地總線以及強大的網絡接口（三個FCC、兩個MCC、四個SCC、兩個SMC等）。

　　嵌入式系統有兩種工作模式：第一種為附屬工作方式，該方式將嵌入式系統設計成板卡形式，并通過主機的PCI接口進行數據傳輸。這種方式具有一定的獨立性，可承擔某項特定的任務，從而可使主機CPU的開銷大大減少。常用的視頻壓縮卡、工業數據采集卡等都屬此種類型。第二種工作模式為獨立工作方式。該方式由于嵌入式系統本身含有CPU，因而是一個自主的系統和功能單元，能獨立完成某項任務，并可通過網絡接口（如以太網、ATM、HDLC／SDLC等）或通道（如SCSI、USB等）將數據傳輸給服務器，以實現數據的傳輸與管理。其典型產品有機頂盒、磁盤陣列控制器等。

　　2 PCI規范及其接口芯片

　　第一個PCI技術規范1．0版本于1992年6月面世，到1999年2月發布了2．2版，不久前又公布了PCIX規范。PCI的位數由32位擴展為64 位，頻率從33MHz提高到133MHz。該規范是處理器、存儲器總線至周邊設備擴展的橋梁，根據PCI橋接的對象可分為Host／PCI橋（北橋）和 PCI／SA橋（南橋），它們可一起構成芯片組。PCI接口芯片通過配置和編程可將其數據空間映射為Memory和I／O方式；其數據傳送既可以是單數據段讀寫，又可以是突發方式、中斷方式或DMA方式。

　　許多廠商（如AMCC、IBM、PLX等）都可提供PCI接口芯片，圖1所示是PLX的64bit／66MHz PCI接口芯片PLX9656的結構框圖。

　　PLX9656符合PCIr2．2、CompactPCIr1．0及PCI熱插拔r1．0規范。它可配置為M模式（可與Motorola的 MPC850、MPC860無縫接口）、C模式（為非復用地址／數據方式，可與DSP、ASIC和FPGA接口）和J模式（為復用地址／數據方式，可與 IBMPoweerPC401和IOP480接口）。此外，它還具有以下特點：

　　●采用先進的Direct Master、Direct Slave和DMA數據傳輸技術，其迸發數據傳輸率PCIBus端為528MB／s，Local Bus端為264MB／s；

　　●I2OTM信息單元包括8個32位郵箱寄存器和2個32位門鈴寄存器；

　　●PCI仲裁器支持7個外部主設備；

　　●帶有可編程中斷產生器及串行EEPROM接口。

　　3硬聯邏輯設計

　　PCI接口芯片的主要功能是橋接CPU端的LocalBus與PCI總線。另外，還必須通過串行總線上的EEPROM來配置PCI芯片的初始工作方式。 PLX9656的三種工作模式（M、C和J）可以和大多數CPU和DSP接口。其中M模式是專為MOTOROLA的POW－ERPC系列CPU而設計的接口模式。

　　由PLX9656與MPC8260組成的最小系統至少應包括以下幾個組成部分：FLASH、SDRAM、SRAM、PCI連接器、JTAG端口、時鐘、復位、電源、EEPROM、以太網接口、ATM和RS232串行口等。

　　PLX9656信號線包括PCI端信號、Local Bus端地址與數據、控制信號、電源和地。其中前兩項占了信號數量的絕大部分。為了保證信號的可靠傳輸，芯片上用很多引腳作電源和地，這些引腳在布線時應仔細連接，并應大面積敷銅，同時還要連接濾波電容。另外要注意的是：MPC8260有60x Bus和LocalBus兩條總線，前者為MPC8260與外界的接口總線，所以應將PLX9656的Local Bus信號與MPC8260的60x Bus連接。圖2所示是系統的硬聯邏輯框圖。

　　4驅動程序

　　開發Windows環境和Linux環境的驅動程序有很大不同。

　　4．1 Windows環境中驅動程序的編寫

　　由于Windows操作系統被Microsoft所壟斷，它是一個封閉的操作系統，因此很難將用戶驅動程序掛接到Windows操作系統中。通常要利用一些開發工具，如Microsoft的DDK、Numega的DriverStudio和Jungo的WinDriver等。因而應首先是由它們生成驅動程序的框架后，再導入到Microsoft的Visual C＋＋中，在填入與設計對象相關的代碼后，最后由build生成Windows環境下的驅動程序。

　　PLX公司的PLX9656RDK提供了Windows API及其源代碼和調試工具PLXMon。利用這些針對PLX芯片的API可以驅動PCI接口，而且其編程工作也非常快捷。

　　PLX芯片的初始化函數原型為：

　　S8 Select Device（DEVICE＿LOCATION＊pDev）；

　　它可提供很多對PCI的接口操作，其中包括寄存器讀／寫、中斷允許／禁止、獲取中斷狀態、IOP總線讀／寫、IOP端口讀／寫、電源管理、熱插拔功能、VPD讀／寫、EEPROM讀／寫、郵箱寄存器讀／寫、門鈴寄存器讀／寫、DMA控制／狀態、DMA塊通道操作、DMASgl通道操作以及 DMAShuttle通道操作等。

　　在對PLX芯片進行初始化后，便可利用PLX9656RDK提供的上述功能對PCI接口進行操作。

　　4．2 Linux環境下驅動程序編寫

　　Linux是源代碼開放型操作系統。在這種系統中，用戶自編的設備驅動程序可以和原操作系統的驅動程序享有同等的“地位”。Linux環境下，驅動程序的編寫有兩種方式，一種是基于內核的，另一種是基于模塊的。前一種方式是將驅動程序直接注冊在相應的系統文件中，然后在操作系統啟動時將它裝載在內存中使用；后一種方式則通過命令行insmod和mmod來加載和卸載驅動程序模塊，因此比較方便靈活。

　　Linux對設備的操作與對文件的操作一致，所有的驅動程序都毫不例外地要使用file operations結構。其中的read、write、ioctl、mmap、open、release指針分別指向用戶編寫的驅動程序的相關操作。

　　每個PCI設備均可由總線號、設備號和功能號來確定，它共有三個訪問空間，即內存空間、I／O端口和配置寄存器。配置空間用于決定PCI器件的工作方式和映射到系統中的地址。其基本功能函數如下：

　　訪問I／O和內存空間時，要根據配置寄存器中PCL-BASE-ADDRESS-i（i=0.。.5）所給定的基地址來讀寫數據。

　　5嵌入式系統的實現

　　嵌入式系統的開發平臺包括Host（主機）和Tar－get（目標）兩部分。通常，Host和Target的硬件構架（如x86、PowerPC、 ARM、MIPS等）和操作系統都不盡相同。因此需要用CDK（交叉開發工具包）把在Host上開發的代碼下載到Target上。此開發平臺的模型如圖3 所示。

　　由于主機上資源豐富（如功能強大的操作系統和應用軟件、CRT顯示輸出和打印機硬拷貝輸出、鍵盤和鼠標輸入等），因此調試起來非常便捷。針對不同的目標系統，HardHat CDK有不同的開發工具包，但開發流程及工具的使用幾乎一樣。首先用相應目標系統的交叉編譯器將源程序編譯為可執行文件，再將可執行文件拷貝到目標系統的 NFS目錄下，待目標系統裝載內核并引導后，便可調試和運行應用程序了。程序調試成功后，就可以使用EmbeddedPlanet公司的Planet Core來將應用程序燒錄到目標板的FLASH中，這樣，目標板就成了可獨立運行的嵌入式系統了。

　　6小結

　　由MPC8260和PLX9656構成的嵌入式系統有著廣闊的應用前景。可應用于高性能通信系統中的WAN／LAN控制卡、高速MODEM卡、幀中繼卡、路由和交換機等，處理器集成的ATM、T1／E1及以太網等通信通道均能很好地支持上述通信功能；另外還支持高速PC適配卡、CompctPCI接口卡以及嵌入式主機系統等。由于PLX9656具有數據管道構架的直接傳輸方式，因而可方便的用于PCI及Local Bus端的I／O和設備的高速數據傳輸。