??? 摘? 要: 介紹了PCI橋接口芯片" title="接口芯片">接口芯片PCI9052和CAN接口芯片SJA1000,給出了基于PCI總線的CAN總線適配卡軟硬件的設計思路、過程及實現方法。?
??? 關鍵詞: PCI總線? PCI9052? CAN總線? SJA1000
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??? 現場總線CAN(Controller Area Network控制器局域網絡)以其高性能、高可靠性及獨特的設計,越來越受到人們的重視和青睞,不但在汽車行業中應用廣泛,而且在工業控制、機器人、醫療器械、傳感器等領域發展迅速。為了擴展CAN總線的功能,與計算機相連,可設計具有CAN接口和PC接口的CAN適配卡,用來收集CAN總線上各個節點的信息,轉發給PC機,并可將PC機的命令和數據轉發給各個節點以及完成對CAN總線上的用戶系統的部分監控和管理工作。?
??? PCI總線是Intel公司推出的一種先進的高性能32/64位局部總線" title="局部總線">局部總線,可同時支持多組外圍設備,不受制于處理器,數據吞吐量大 (33MHz總線頻率、32位傳輸時峰值可高達132MB/s)。目前PCI是處于主流的計算機總線。以往的CAN卡一般都是基于ISA總線的,由于ISA總線傳輸速率低,CAN卡必須增加中繼控制功能,才能夠適應CAN的高速傳輸,導致造價高、體積大、傳輸速率低,不利于CAN總線的推廣應用。由于PCI總線傳輸速度快,而且支持熱插拔、電源管理等功能,不但能滿足CAN總線的高速數據傳輸,性能高、功能強,而且體積小、價格低、使用方便、應用范圍廣。?
??? CAN卡的設計包括硬件設計和軟件設計。?
1 硬件設計?
??? PCI總線是一種獨立于CPU的局部總線,不同于傳統的ISA總線。由于PCI總線規范定義了嚴格的電氣特性和時序要求,開發難度比ISA總線的開發難度大。實現PCI接口的方案一般有兩種:采用可編程邏輯器件和專用總線接口器件" title="接口器件">接口器件。采用可編程邏輯器件實現PCI接口的最大好處是比較靈活,可把PCI時序模塊和功能模塊結合在一起,可以利用的器件也比較多(如Altera公司的CPLD器件、Xilinx公司的FPGA器件等),還可以購買由廠家提供的用VHDL、AHDL等硬件描述語言編制的PCI核心設計模塊,但其設計難度還是很高,因為PCI總線對負載要求、傳輸數據的建立時間的要求都比較苛刻,同時還需要器件內部實現用于配置的各類寄存器,以及完成邏輯校驗、地址譯碼等工作的寄存器(大致需要15000個門電路)。此外,還需加入FIFO、用戶寄存器組和后端設備接口等部分。設計這種PCI總線接口會導致將大量的人力、物力投入到復雜的邏輯驗證和時序分析的工作上,開發周期較長。采用專用接口器件雖然沒有采用可編程邏輯器件那么靈活,但能夠有效地降低接口設計的難度,縮短開發時間。專用接口器件具有較低的成本和很高的通用性,能夠優化數據傳輸,提供配置空間,具備用于突發傳輸功能的片內FIFO,提供擴展局部總線等優點,并且許多公司還提供配套的開發工具" title="開發工具">開發工具(例如評估板或驅動程序開發軟件),使用很方便,開發周期短。目前市場上常見的有PLX、AMCC、Cypress等公司的PCI橋芯片,各個型號的PCI接口芯片的大致特點如表1所示。?
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??? PCI設備可分為主模式和從模式。主模式橋芯片可以進行DMA操作,而從模式只能接受讀寫操作。根據PCI提供的傳輸數據帶寬(最大132MB/s)和CAN總線(最大1Mbps)的要求,加上經濟和開發難度與周期上的考慮(主模式橋芯片較昂貴,開發難度較大),又因不需要DMA功能,采用從模式橋芯片足以滿足傳輸數據的需要。此外,選擇芯片不僅考慮性能和經濟上的要求,而且還需要考慮硬件開發和驅動程序開發的難易。如果不提供足夠的芯片說明和應用樣例及開發工具,將大大增加開發難度和延長開發周期。因此,采用PLX公司的PCI總線目標接口芯片PCI9052作為CAN卡中的PCI接口芯片,負責與計算機之間的數據通信。
??? PCI9052是PLX公司開發的低價格PCI總線從模式接口芯片,低功耗,符合PCI2.1規范,提供的局部總線(Local Bus)可通過編程設置為8/16/32位的(非)復用總線。其主要特點有:?
??? (1)直接數據轉換模式? PCI9052支持PCI到Local Bus的內存映射和I/O" title="I/O">I/O映射的突發讀寫。?
??? (2)ISA接口邏輯? PCI9052支持通過8/16位內存映射或I/O映射從PCI到ISA總線的單周期讀、寫訪問。方便從ISA卡向PCI卡的轉換。?
??? (3)中斷產生器? 由Local Bus的兩個中斷信號可以產生一個PCI中斷信號:INTA#。?
??? (4)局部總線? PCI9052提供的局部總線不但可編程,而且與PCI總線的時鐘相互獨立運行,可實現異步操作,總線操作自動實現時序同步。兩總線的異步運行方便了高、低速設備的兼容。局部的運行時鐘頻率范圍0～40MHz、TTL電平,可由PCI提供或由用戶自行提供;PCI的運行時鐘頻率范圍0～33MHz。?
??? (5)串行EEPROM? 用于存放PCI BUS和Local Bus的部分配置信息。?
??? (6)4個局部設備片選? 基址和地址范圍可以由串行EEPROM或主控設備進行設置。?
??? (7)5個局部地址空間? 基址和地址范圍及其映射可以由串行EEPROM或主控設備進行設置。?
??? (8)Big/Little Endian模式的字節交換? 適合不同計算機體系。?
??? (9)局部總線等待狀態? 除了等待信號LRDYi#用于握手之外,PCI9052還有一個內部等待產生器(包括地址到數據周期、數據到數據周期和數據到地址周期的等待)。?
??? (10)延遲讀模式? PCI9052支持PCI2.1規范的延遲讀模式。?
??? (11)FIFO? PCI9052包括一個64Byte的寫FIFO和一個32Byte的讀FIFO,從而支持預取模式、即突發操作。?
??? (12)PCI鎖定機制? 主控設備可以通過鎖定信號占有對PCI9052的唯一訪問權。?
??? 由于CAN總線的迅猛發展,許多芯片廠商開發了很多系列的CAN通信控制器芯片。如表2所示。?
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??? 由于PCI9052可以啟動局部總線的讀寫,CAN卡不再需要微控制器,采用CAN通信控制器即可,本CAN卡采用SJA1000。SJA1000支持BasicCAN和PeliCAN模式,具有FIFO、支持熱插拔等功能,不但可以實現CAN總線接口功能,而且芯片可以根據晶振的頻率,輸出可編程的CLKOUT信號,該信號正好可作為PCI9052的局部總線的總線頻率,節省了器件,方便了設計。CAN總線的總線頻率可為12MHz、16MHz或24MHz,PCI9052自動實現局部總線與PCI總線的訪問同步。CAN總線收發器采用82C250。該芯片是CAN總線控制器和物理總線的接口,可以提供對CAN總線的差動發送和接受能力,具有抗瞬間干擾、保護總線的能力,可以通過調整CAN總線上通訊脈沖的邊沿斜率來降低射頻干擾。?
??? 由于PCI設備在計算機中的硬件資源是系統動態分配的,因此在設計出基本的硬件框架后,要進行PCI配置設計。CAN卡的硬件資源為映射SJA1000內部寄存器的內存映射空間和一個中斷源。PCI9052提供5個局部地址空間,可以選用其中的一個作為SJA1000的地址空間,分配32個8位地址。同時設置相應的初始化,PCI配置寄存器中的寄存器PCIBAR2設置為0XFFFFFFE0,向系統請求分配內存的數量為32,類型為不可預讀,其它寄存器的值可設置為0。設置局部地址空間的范圍為0X00000000～0X00000020。PCI9052提供2個局部中斷源,利用LINTi1即可,注意的是:LINTi1信號線沒有驅動能力,SJA1000的INT引腳也沒有驅動能力,因此該信號線必須加上拉電阻,否則該信號線的電平不確定,工作肯定不正常。SJA1000提供電平觸發中斷信號,因此PCI9052的中斷觸發模式設置為電平觸發。利用PCI9052的局部設備片選CS0#作為SJA1000的片選信號。CS0#片選信號的起始地址和地址范圍由CS0 Base Address寄存器設置,值為0X00000002。另外,PCI9052的LRDYi#信號為局部總線數據準備信號,SJA1000的寄存器地址映射成地址,數據傳輸不存在延遲等待,因此LRDYi#引腳可接地,表示SJA1000的寄存器總是立即可讀寫。PCI9052寄存器的初始值由串行EEPROM提供,在PCI9052加電后讀取。EEPROM必須采用支持連讀功能的芯片,本設計采用Microchip的93LC46B。用PLX公司提供的開發工具PlxMon可對93LC46B進行讀寫。?
??? PCI9052的硬件調試可采用PlxMon。利用它可以對PCI設備的配置資源進行檢驗。利用PLX提供的SDK,可以對PCI9052的局部寄存器、局部總線及EEPROM進行讀寫,這樣可以調試硬件。借助開發工具,不必開發PCI設備的調試軟件,可節省很多時間。同時,SDK也為驅動程序的開發提供了程序框架,加快了開發進度。?
??? CAN卡的電路框圖如圖1所示。?
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2 軟件設計?
??? 軟件設計包括驅動程序的設計和COM組件程序設計。?
??? 由于PCI設備的中斷、I/O端口、映射內存等資源都是動態分配的,必須編寫驅動程序管理硬件,才能供用戶編程使用。為了通用性和兼容性,CAN卡驅動程序的開發采用支持Windows XP、Windows2000和Windows98的WDM驅動程序。開發工具采用Visual C++6.0和Win2000 DDK。由于CAN卡上沒有微控制器,因此對CAN總線端口的所有操作都是由驅動程序來完成的。這不僅可以由計算機來實現復雜的功能,例如,錯誤檢測、斷點續傳等,同時節省了硬件,而且有利于CAN卡的升級——只要更換驅動程序即可。驅動程序的功能主要是配置SJA1000的CAN接口、收發CAN總線上的數據、對CAN總線進行實時監測、接收用戶程序的收發命令。收發數據和CAN總線錯誤均采用中斷處理,驅動程序可以快速響應,通過事件(Event)內核對象直接通知給用戶程序。由于WDM驅動程序運行在系統的內核態,編寫非常復雜,限于篇幅,僅給出軟件的框圖(見圖2)。?
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??? 為了方便用戶的使用,還應編寫相應的API函數或ActiveX控件等其它應用層的程序提供給用戶。由于ActiveX控件基于先進的COM技術,具有良好的封裝性、使用靈活性等特點,可使用戶編程簡單、方便,因此在CAN卡的設計中編寫了ActiveX控件。ActiveX控件負責與驅動程序的通信,通過控件的事件把CAN卡接收的數據通知給用戶程序,利用控件的屬性設置CAN通信控制器,按照設置的方法發送用戶程序的數據。?
??? 根據以上的設計,開發了名為Can1000的CAN卡。經使用證明,該卡設計簡單明了、性能較高、成本低廉、驅動程序和ActiveX控件使用方便,達到了設計和用戶的要求。?
參考文獻?
1 PCI 9052 Data Book. PLX公司,2001?
2 Winows2000 DDK Documents. 微軟公司,2000?
3 Chris Cant著,孫義等譯.Windows WDM設備驅動程序開發指南.北京:機械工業出版社,2000?
4 陽憲惠. 現場總線技術及其應用.北京:清華大學出版社,1999