（测试计量技术及仪器专业论文）数字多普勒系统中pci设备驱动的研究与实现.pdf

摘要 摘要 数字多普勒系统以软件无线电为基础，在无线电载波信号中提取频率信息进行分析处理后得出 深空探测器的多普勒数据，并将数据传输到p c 端显示并存储。随着我国深空探测技术的发展，它一 定会得到更加广泛的应用。 本论文研究的主要内容是l i n u x 系统下，计算机系统如何通过设备驱动程序绑定c 6 2 0 5p c i 接 口的数字多普勒系统，并实现设备间的数据传输。论文从分析数字多普勒系统系统中p c i 硬件接口 入手，解释了p c i 接口的电气特性及其在多普勒系统中的作用。通过对p c i 接口的编址方式的分析， 为以后驱动程序对p c i 接口的配置寄存器访问作铺垫。在驱动设计部分，本文首先介绍了l i n u x 设 备驱动的常用概念，剖析了设备驱动如何与内核中的核心结构k o b j e c t 交互，实现驱动与内核及设 备的绑定。之后，论文对c 6 2 0 5p c i 设备驱动的软件设计进行了探讨和研究。设备驱动由操作系统 适应层( o s a l ) 、驱动链接层( l d r v ) 和进程管理( p m g r ) 三个模块组成。其中，o s a l 模块通过嵌 入l i n u x 内核中内存管理，进程管理等服务向驱动提供系统服务的调用接口；l d r v 模块封装了底层 的设备读写函数，并引入o s a l 模块中系统管理的功能，用t a s k l e t 小任务机制完成了驱动的中断管 理和任务延迟机制的处理，并设计出主机端和p c i 设备端的通信协议，实现了设备问不同类型数据 的实时传输；p m g r 模块则通过封装l d r v 模块中的操作细节，向应用程序提供标准的调用接口。 最后，本文介绍了数字多普勒系统l a b v i e w 图形化控制程序的设计和l i n u x 系统下设备驱动的 调试方法。通过应用程序对设备驱动的成功调用验证了驱动设计能够满足数字多普勒系统数据实时 传输的需求。 关键词：数字多普勒p c i 设备驱动模型l a b v i e wl i n u x a b s t r a c t a b s t r a c t 珏ed i g i t a ld o p p l e rs y s t e mb a s e do ns o f t w a r er a d i ot e c h n o l o g y , i su s e dt oe x t r a c tt h ed o p p l e rd a t a o ft h ed e e p - s p a c eo r b i t e ra n dt r a n s m i ti tt op ct om o n i t o ra n dd i s p l a y ，b ys a m p l i n ga n dp r o c e s s i n gt h e f r e q u e n c yi n f o r m a t i o nf r o mt h er a d i oc a r r i e rs i g n a l w i mt h ed e v e l o p m e n to f0 1 1 1 c o u n t r y sd e e p - s p a c e e x p l o r a t i o n ，i tw i l ls u r e l yb em o r ew i d e l y u s e d t h et h e s i sm a i n l yi n v e s t i g a t e sh o wt h ec o m p u t e rs y s t e mb i n d sa n dt r a n s m i t sd a t at ot h ed i g i t a l d o p p l e rs y s t e mt h r o u g ht h ec 6 2 0 5p c ii n t e r f a c e 谢mt h ed e v i c ed r i v e ru n d e rl i n u xs y s t e m i tf i r s t a n a l y s e st h eh a r d w a r eo ft h ep c ii n t e r f a c ei nt h ed i g i t a ld o p p l e rs y s t e m ，a n di l l u s t r a t e si t se l e c t r i c a l c h a r a c t e r i s t i c sa n di m p o r t a n c e i ta l s oa n a l y s e st h ea d d r e s s i n gm o d eo fp c ii n t e r f a c et om a k eap r e p a r a t i o n f o rs o f t w a r ea c c e s s i n gp c ic o n f i g u r er e g i s t e r sl a t e r i nt h ed r i v e rs o f t w a r ed e s i g n i n gp a r t ，t h et h e s i s i n t r o d u c e st h eu s u a lc o n c e p t i o n so fl i n u xd e v i c ed r i v e ra n dt h e na n a l y s e sh o wt h ed e v i c ed r i v e r c o m m u n i c a t e sw i t ht h es i g n i f i c a n td a t as t r u c t “k o b j e c t i nt h el i n u xk e r n e l m a k e si t s e l fc o n n e c t e dt o l i n u xk e r n e la n dp c id e v i c e a f t e r w a r d s ，t h et h e s i sd i s c u s s e st h ec 6 2 0 5p c id e v i c ed r i v e rd e s i g n i n g 丑伦d e v i c ed r i v e ri sc o m p o s e do ft h r e em o d u l e s - o s a l ，p m g ra n dl d r v a m o n gt h e m ，t h eo s a l m o d u l ep r o v i d e st h es y s t e ms e r v i c ei n t e r f a c eo fl i n u xk e r n e l ，s u c ha sm e m o r ym a n a g e m e n ta n dp r o c e s s m a n a g e m e n tt ot h ed r i v e r , t h el d r vm o d u l ee n c a p s u l a t e st h el o wl e v e ld e v i c ea c c e s s i n gf u n c t i o n s ， i m p o r t st h es y s t e mm a n a g ef u n c t i o n sf r o mo s a lm o d u l e ，c a r d f $ o u tt h ei n t e r r u p t em a n a g e m e n ta n dt a s k d e l a ym e c h a n i s mb yt a s k l e tm e c h a n i s m ，f u l f i l l st h ec o m m u n i c a t i n gp r o t o c o lb e t w e e np ca n dp c id e v i c e , a n dr e a l i z e st h er e a l - t i m et r a n s m i s s i o no fv a r i o u sd a t ab e t w e e nt h et w od e v i c e s ；t h ep m g rm o d u l ej u s t p r o v i d e sc a l li n t e r f a c et o t h ea p p l i c a t i o np r o g r a mb ye n c a p s u l a t i n gt h ed e t a i l e df u n c t i o n sf r o ml d r v m o d u l e a tl a s t ，t h et h e s i si n t r o d u c e st h el a b v i e wg r a p h i c a lc o n t r o lp r o g r a md e s i g n i n go ft h ed i g i t a ld o p p l e r s y s t e ma n dt h ed e b u gm e t h o df o rd e v i c ed r i v e ru n d e rl i n u xs y s t e m t h r o u g ht h es u c c e s s f u lc a l lo ft h e a p p l i c a t i o np r o g r a m ，i tv a l i d a t e st h a tt h ed e v i c ed r i v e rf u l f i l l st h er e a l - t i m et r a n s m i s s i o no ft h ed a t ai nt h e d i g i t a ld o p p l e rs y s t e m k e y w o r d s ：d i g i t a ld o p p l e r ，p c i ，d e v i c ed r i v e r ，m o d u l e ，l a b v i e w ，l i n u x 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：壁垒e l 期：22 望z 乏主! 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：导师签名： 第一章绪论 1 1课题研究背景及意义 第一章绪论 深空探测指脱离地球引力场，进入太阳系空间和宇宙空间的探测。它是在卫星应用、载人航天 与空间站取得重大成就的基础上，向更广阔的太阳系空间进军的探索，是当今世界科技发展的前沿 领域，具有很强的基础性、前瞻性、创新性和带动性，对于理解保护地球、探索生命起源、引领科 技发展、培养尖端科技人才具有十分突出的作用。这项宇宙探索活动集中显示了一个国家的科技发 展水平和综合国力。就其科学和经济意义来说，深空探测研究可以了解地球、太阳系乃至宇宙的起 源，研究其他天体上是否存在生命及生命的起源，将开发利用宁南资源，移民其他星体的梦想变为 现实。当前的探测目的是进一步深入认识太阳系各类天体，探讨太阳系的起源与演化，而探测的重 点为月球与火星【。 ， 随着航天技术的崛起，上世纪5 0 年代末和7 0 年代初，人类实现了对月球的探测和载人登月， 对月球有了基本的认识。月球是人类至今了解得最详细的地外星体。剑了7 0 - 8 0 年代，美国和前苏 联发射了多颗探测器对太阳系内的星体进行了观测。随后，欧洲航大局和日本也开始了深空探测的 工程。由于经济的原冈，我国直至上世纪9 0 年代才开始深空探测的计划，与这些国家相比，这项科 学研究还处丁起步阶段【川。 随着人类空间探测活动范围的扩大及探测任务进一步趋于多样化，深空探测的新型推进技术、 探测器智能自主技术、新型传感器和载荷技术、测控与通信技术笛都得到了k 足的发展，并在深空 探测活动中发挥了重要作用：有的还正在进一步研发，将列入今后的深空探测计划去实际应用。 在深空探测任务中，通信系统上行通信链路肩负着传输指令信息、遥测遥控信息、跟踪导航信 息、自控和轨道控制信息等信息的任务，下行通信链路也肩负着传输科学数据、文件、声音、图像 等信息的任务，冈此可以说由深空探洲器、中继站、地面站、控制中心等构成的深空通信系统承担 了非常关键的任务，通信系统的止常运行是整个深空探测任务成功的重要保证之一。 无线电测量是下行通信链路中常用的跟踪测肇方法。它不受大气影响，可以实现全天候跟踪测 量，地面通过无线电和卫星建立联系。无线电测轨系统是由星上和地面两部分组成的，星上部分有 发射机、接收机、天线等；地面部分有测控站，在测控站内有各种不同用途的雷达、发射机、接收 机、天线、数据终端、计算机以及记录显示设备等。这些设备总的说米有两大类，一类用于接收卫 星传给地面的信息，另一类用来向卫星发射信号。常用的卫星无线电测轨系统有雷达测轨系统、多 普勒测速系统和干涉仪系统【j j 。 数字多普勒系统以软件无线电为基础，利用相对运动物体引起频率的变化，在无线电载波信号 中提取频率信息进行分析处理后得出深空探测器的多普勒数据，并将数据传输到p c 端显示并存储。 这些数据经过处理即可得到探测器相对地球的视向速度，在深空探测中意义重大。因此，如何设计 出高稳定性，低故障率，满足深空探测所需的数字多普勒系统成为了研发人员需要解决的问题之一。 p c i 设备驱动属数字多酱勒系统的软件部分。p c 端虑用程序通过该驱动能够控制和响应硬件， 实现设备间数据和命令的实时传输以及板卡上可执行程序的运行。它封装了硬件操作的细节，是系 统软件设计的中间环节，起着承前启后的重要作用。因此，完善的p c i 设备驱动是数字多普勒系统 正常运行的必要条件。 1 2p c i 总线概述 p c i 全称p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ，即外部设备互联总线，是当今普遍使用在桌面更大 型计算机上的外设总线。许多计算机用户将之看成一种布置电子线路的方式，但从最初的1 o 版本 发展至今，它已成为一种完整的规范。 1 9 9 1 年，i n t e l 公司对p c i 局部总线进行了定义，并与i b m ，c o m p a q ，a s t ，h p , n e c 等l o 多家公 司联合共谋计算机总线的发展大业，于是，p c 局部总线标准1 o 版技术规范于1 9 9 2 年6 月2 2 日推 出；随后，2 0 ，2 1 和2 2 版也相继发布。而i n t e l 提出的改进型替代p c i 总线技术一p c ie x p r e s s 也 在2 0 0 4 年面世【引。 目前应用的p c i 局部总线规范2 2 版包括p c i 局部总线部件和扩展板的协议、电气、机械和配 置规范，并规定了p c i 的硬件环境，是一种具有多路地址线和数据线的高性能的3 2 6 4 位总线。它 东南大学硕十学位论文 在高度集成的外围控制器件、外围插件板和处理器，存储器之间作为互连机构应用。 p c i 局部总线配备了3 2 位的数据总线，而且包括了6 4 位的扩展及多总线主控和线性突发方式， 并且通过使用比i s a 更高的时钟频率，使其数据传输速率高达1 3 2 m b s ，这给其发展提供了有利条 件。但i s a 总线的最大传输率为8 m b s ，e i s a 总线为3 3 m b s ，由于其速度及成本上的劣势，逐渐被 p c i 总线所取代。另一推动p c i 局部总线发展的原因是它可以降低系统成本。用大量面向p c i 局部 总线的处理芯片来构造系统机、工作站、外围设备及板卡，具有处理能力强、传输速度高的优点 此外p c i 总线还有如。f 三大优势：具有在计算机和外设之间传送数据更好的性能，尽可能的平台无 关，简化以往系统中添加和删除外设的工作。据统计，若不采用面向p c i 的芯片进行设计，实现同 样的功能，其成本将升高l o 1 5 t 5 l 。 可见，p c i 成功地满足了工业要求，目前己成为世界上应用最为广泛的扩展标准。 1 3l i n u x 系统应用及发展前景 l i n u x 是由g n u l i n u x 内核和g n u l i n u x 工具集组合而成的一套操作系统，一个最基本的 l i n u x 系统由内核k e r n e l ，二进制t 具包b i n u t i l s ，g n ucl i b r a r yg l i b c 和s h e l l 组成，而我们常说的 像r e dh a t 、u b u n t u 、s u s e 这些不同的发行版本，则是在核心l i n u x 基础上添加了大量的开源软件 和软件包管理系统而来l o j 。 1 9 9 1 年，l i n u st o r v a l d s 开发出最初的l i n u x ，是一个适用于基于i n t e l8 0 3 8 6 微处理器的i 酬 p c 兼容机的操作系统。现在，经过l i n u s 和全世界所有自由软件爱好者的努力，l i n u x 保持着与各 种硬件平台同步发展1 6 j 。 l i n u x 是一个成熟义实用的操作系统，它有着丰富的应用程序和开发工具，可以支持各种硬件平 台和外部设备；l i n u x 又是完全开放的操作系统任何人都可以获得它的源代码，分析了解它的内部结 构，吸收借鉴它的实现思路，并可根据需要对其做任意的裁减。所以，l i n u x 儿乎可以胜任任何t 作。 正因为如此，l i n u x 受到越米越多的重视，基于l i n u x 的各种研究开发项目日益增多，从应川软件到 开发t 具，从嵌入式应用到集群系统从设计简单的驱动程序剑开发安全的操作系统，从纯粹的软件 程序到软硬结合的机电产品，可以说，基于l i n u x 的研究开发正如火如荼。 1 3 1l i n u x 优势 l i n u x 经常被大家宣传为免费的，实际上现在存在着大量提供l i n u x 技术支持的著名厂家和邻近 的经销商。随着大量有偿的第三方技术支持的出现，l i n u x 会被越来越多的企业用户所接受。l i n u x 在费用上的隐性优势使它能正常地运行于内存缺乏、硬盘容量紧张以及已被淘汰的老计算机上，从 而减少了在硬件升级上的开支。每次w i n d o w s 后续版本的发行，都需要在硬件上进行相应的升级。 虽然市场上不断涌现出更快的芯片，但由于相应的w i n d o w s 软件发展日益庞大中和了芯片在速度上 的提高。l i n u x 能够在最新的硬件平台上提供极佳性能的同时，也可以充分运行于老式机器。 传统w i n d o w s 平台上软件日益膨胀是另外一项隐性费用。l i n u x 平台下的g n uc c + + 优化编译 器仅仅占用1 0 m b 左右的硬盘空间，如果加上编辑器、调试器、项目管理工具等等总共不会超过1 2 m b 磁盘空间。m i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 0 专业版相应要占用2 9 0 m b 的磁盘空间，即使考虑v i s u a lc h 是 一个集成编辑器、调试器的可视化开发平台，也不应该在磁盘空间占用上与l i n u x 有着这么大的差 别1 7 1 。 一个经常被提起的l i n u x 优点就是用户可以根据自己的需求简单地修改调整应用软件。关于此 优点主要有两个方面。第一，l i n u x 并不像大部分商业软件那样只提供二进制可执行代码，l i n u x 应 用程序可提供源代码，您可根据自身应用的需求进行修改源代码重新编译。另一点就是，g n u 普通 公共许可协议特别声明允许任何人去修改和重新再发布软件，并使此合法存在。 l i n u x 的稳定性是由于它没有像其它操作系统一样内核如此庞大、漏洞无穷。考察资料表明， l i n u x 与其它u n i x 系统和大犁操作系统如v m s 、i b m 人型机等一样具有相同的可靠性。原因并不 难以得剑，系统的稳定性主要取决于系统设计的结构。计算机硬件的结构自从1 9 8 1 设计开始就没有 2 第一章绪论 作特别大的改动，而连续向后兼容性使那些编程风格极差的应片j 软件勉强移植到w i n d o w s 的最新版 本，这种将就的软件开发模式极大地阻碍了系统稳定性的发展。l i n u x 的稳定性并不是一个意外的例 外，稳定性是所有大型计算机操作系统所具有的共性。l i n u x 所共享的u n i x 设计体系是经过长期实 践考验的，l i n u x 吸取了u n i x 系统近1 4 世纪发展的经验，l i n u x 操作系统体现了最先现代化操作系 统的设计理念和最经得住时间考验的设计方案。最令人注目的是l i n u x 开发源代码的开发模式，这 保证了任何系统的漏洞都能被及时发现和改正。 l i n u x 在对工业标准的支持上做的非常好，由于各l i n u x 发布厂商都能自由获取和接触l i n u x 的 源代码，各厂家发布的l i n u x 仍然缺乏标准，尽管这些差异非常小。它们的差异主要存在于所捆绑 应用软件的版本、安装工具的版本和各种系统文件所处的目录结构。一项q 做l i n u x 行业标准的计 划已被实行，其主要目的是为了在某些方面来统一各种l i n u x 的发行版本，如在系统文件所处的标 准目录结构的方面做出规范标准。 1 3 2国内外研究现状 由于l i n u x 软件采用开放源代码方式，具有很高的安全性和经济性，在世界范同内得剑了 广泛的应用。很多国家的政府，如德国、法国、英国、韩国、秘鲁等国家，都十分重视l i n u x 的推广应用，并将l i n u x 软件纳入政府采购计划中。 目前，国际上从事l i n u x 业务的专业公司主要有：r e d h a t 、s u s e ( 已被n o v e l l 收购，从而 使n o v e l l 进入l i n u x 业务) 、m a n d r a t e 、c a l d e r a 等，其它主流的支持l i n u x 发展的跨国企业 包括i b m 、s u n 、惠普等。根据i d c 的报告，l i n u x 已经成为全球第二大操作系统。l i n u x 的 应用在全球很多关键领域已经得到了普及。 l i n u x 在我国也取得了蓬勃的发展，在经历了近6 年的技术储备和市场洗礼后，中国l i n u x 软件 产业逐渐走向成熟。这为我国软件技术的自主发展提供了一个新的机遇，l i n u x 的应用和推进有利于 促成我国符合国际潮流和个性化结合的自主知识产权的软件产业的形成。 目前，中国市场所存在的l i n u x 企业在产品定位、技术研发和市场销售、培i j i i n 臣务等方面逐步 形成了相对完善的运营体系。尤其是软件政府采购管理办法更是明确了政府支持国产软件的政 策导向，势必对中国l i n u x 软件的发展起到积极的推动作用。 许多的独立机构针对l i n u x 和w i n d o w sn t 、l i n u x 和其它流行的u n i x 作了大量的评测。l i n u x 能通过使用重量级处理来代替n t 使用的轻量级线程而获得优越的性能，l i n u x 中的进程复制极为有 效，儿乎消除了使用线程的需要。令人惊奇的是，l i n u x 恰好能击败基于s p a r c 硬件平台上的s o l a r i s ， 虽然仅仅在单处理器的机器上。有一项分析揭示了l i n u x 性能优越的主要原因，u n i x 系统( 包括l i n u x 系统在内) 把图形处理为一个用户级的应用，图形可根据需要被选择是否运行。l i n u x 系统中存在适 度复杂的图形界面，但是它们并没有与操作系统的内核紧紧捆绑在一起，图形界面可按需求关闭【引。 1 3 3 发展前景 目前我国的开源软件产业发展并没有形成规模，开源软件企业的力量弱小而分散，企业竞争力 相对不足，没有形成民族软件产业整体合力，产业化发展速度缓慢；在l i n u x 技术应用和推广上仍 然缺少总体和全局的规划，用户对开源软件厂商和技术缺少足够的信心，厂商在应用领域拓展和应 用方案推广上缺乏足够的力度。 随着l i n u x 以及开源软件对世界软件产业格局的改变，随着开源软件向主流软件地位的发展， 抓住软件产业重新洗牌过程中出现的机遇，一些后起的、目前产业竞争实力尚处于相对落后的国家， 将能迅速跃升至世界软件产业的前列。我国既有的软件产业发展基础和巨大的国内软件市场，为我 们抓住这个难得的产业发展机遇提供了基础和条件，发展l i n u x 以及开源软件将成为我国软件产业 向更高层次跃进的突破口1 w 。 3 东南大学硕1 ：学位论文 1 4论文的研究工作及结构安排 驱动程序在系统中扮演特殊的角色，它使某个特定硬件响应一个定义良好的内部编程接口。它 作为操作系统的一个可信任部分，提供连接计算机硬件的软件接口。这些接口完全隐藏了设备的工 作细节，使用户应用程序以一种规范的方式访问硬件，而不必考虑如何控制硬件。用户的操作通过 一个标准化的调用执行，而这些调用独立于特定的驱动程序。驱动程序的任务就是将这些调用映射 到作用于实际硬件设备的具体操作上。这个编程接口能够使得驱动程序独立于内核的其他部分而建 立，必要的情况下可在运行时插入内核。 本课题的目标就是对数字多普勒系统中p c i 设备的驱动进行研究和实现。该系统中的p c i 设备 是一块t m s 3 2 0c 6 2 0 5p c i 接口的扩展卡。本课题的任务就是设计p c 端该p c i 设备的驱动程序，为 实现主机和p c i 设备的数据传输提供标准的系统调用接口。论文的主要章爷安排如下： 第一章绪论 主要介绍课题的来源和研究背景。 第二章p c i 总线协议与数字多髀勒系统硬件分析 本章首先介绍了p c i 总线协议的相关特性，接着对多普勒系统的硬件结构进行详细介绍。 第三章p c i 驱动模型分析 本章介缁了l i n u x 设备驱动的常用概念，并结合l i n u x 2 6 内核结构的分析，讨论l i n u x 下p c i 设备驱动如何与l i n u x 内核中总线、设备和核心结构体实现交互。 第四章c 6 2 0 5p c i 设备驱动设计与实现 针对本课题中的数字多普勒系统，详细分析在l i n u x 环境下p c i 设备驱动的设计，重点介绍设 计中的底层操作和在此基础上的中断服务例程和任务延缓调用的实现方法，解决驱动中的中断问题 和并发问题。最后阐明p c 端和d s p 端数据实时传输所遵守的协议设计方法。 第五章驱动的调试和应用程序的设计 本章主要论述在l i n u x 环境下，设备驱动程序的调试的一般方法和注意事项，并提出用l a b v i e w 进行图形化设计应用程序设计的方法。 第六章总结与展望 该部分论述了本次课题中的收获与不足，并对未来的工作提出了展望。 4 第_ 二章p c i 总线协议与数字多普勒系统硬件分析 第二章p ci 总线协议与数字多普勒系统硬件分析 总线是计算机各部件之间传送信息的公共通道。按所处的位置不同总线可以分为片内总线、片 总线、内总线和外总线。其中内总线又称为微型计算机总线或板级总线，一般称为系统总线，用于 微型计算机系统各插件板之间的连接，是微型计算机系统中最重要的一种总线。一般谈剑微型计算 机总线指的就是这种总线。 目前，通用的微型计算机系统有块标准化的主板，板上安装了c p u 、内存和i o 设备的接口， 通过主板插口槽上所插的插件板和各种i o 设备相连。p c i 插槽是主板的主要扩展插槽，它基于p c i 局部总线。就像p c i 接口的内存条和网卡，本课题中的数字多普勒系统就是一块p c i 接口的板卡， 通过规范的p c i 总线协议实现与p c i 设备的通信。 2 1p c i 总线定义及特点 p c i 总线称为外部设备互连总线，是一种高性能的3 2 位6 4 位地址数据复用的高速外围设备接 口局部总线。它把一个计算机系统的总线分为几个档次。速度最高的为处理器总线，可连接主存储 器等高速部件；第二级为p c i 总线，可直接连接在工作速度较高的卡，如图形加速卡、高速网卡等， 也可以通过i d e 控制器、s c s i 控制器连接高速硬盘等设备；第三级通过p c i 总线的桥可以与目前常 用的i s a 总线等设备相连，以提高兼容性。总线连接图如图2 - 1 所示。 软盘键盘串u f l o p p yk e y b o a r d s e r i a l p c i 可选槽口 p c io p t i o ns l o t s 图2 1p c i 总线连接图 5 东南大学硕士学位论文 相对于其他常用的总线而言，p c i 总线有以下的主要特点1 o j ： ( 1 ) 高性能 总线宽度3 2 位，可升级到6 4 位； 支持突发：f 作方式，后面可跟无数个数据期； 低随机访问延迟； 处理器内存子系统能力完全一致； 总线的同步t 作频率可达3 3 孵- i z ： 隐含的中央仲裁器： ( 2 ) 低成本 采用最优化的芯片，标准的a s i c 技术和其它处理技术相结合； 一 多路复用体系结构减少了管脚数和p c i 部件； 在i s a 基本系统上的扩展板，也可在p c i 系统上工作。p c i 到i s a 的桥f h v 家提供，减少 了用户的开发成本，避免了混乱； 对p c i 扩展卡及软件，能够自动配置，实现即插即用。 ( 3 ) 寿命长 处理器独立，不依赖任何c p u ，支持多种处理器及将来待开发的更高性能处理器； 支持6 4 位地址； ( 4 ) 可靠性高 可以比较乐观地认为，即使扩展卡超过了电力负载的最人值，系统也可以运行； 3 2 位、6 4 位扩展板和部件正反向兼容； ( 5 ) 软件兼容 p c i 部件和驱动程序可以在各种不同的平台上运行 2 2数字多普勒系统硬件组成 用于卫星测速的数字多普勒系统硬件功能模块图如图2 - 2 所示。 一一一一蕞一一一一一一一一一一一一一一一一一 虚线框内p c i 总线 p c i 插卡部分 图2 - 2 系统硬件功能模块图 本课题中的数字多普勒系统可实现对四通道的卫星信号进行处理，四个通道的信号的接收和处 理功能全部集成在一块p c i 插卡上。系统的输入信号是频率在一定范围内的模拟信号，通过模数转 6 模数转换 模块 第二章p c i 总线协议与数字多普勒系统硬件分析 换模块对输入信号进行采样转换成数字信号发送给信号处理模块。该信号处理模块主要是t i 公司生 产的高性能d s p 芯片，鉴于其优越的数据处理能力，设计者采用软件无线电的方法在此芯片上完成 了信号的下变频，滤波等数据处理工作。 系统中的p c i 接口模块主要是一块t i 公司的d s pt m s 3 2 0 c 6 2 0 5 芯片，它内部集成了一个主 从模式的p c i 接口。c 6 2 0 5 主要负责数据的收发，通过h p i 口给6 4 1 3 传递命令和参数，并对处理后 的数据进行存储。可见，它在本系统中起着桥接的作用，负责信号处理模块和p c 机模块间的信息 交互。p c 机便通过p c i 接口给板卡发送命令，把板卡上处理后的数据保存在p c 终端。 本课题主要实现系统中c 6 2 0 5p c i 接口在l i n u x 下的驱动设计，为实现主机和p c i 设备的数据 传输提供标准的系统调用接口。对于数字多普勒系统中的信号处理算法不再叙述。 2 3 数字多普勒系统中p c i 接口配置技术 2 3 1c 6 2 0 5 处理器结构及p c i 接口信号解释 秉承了t i 公司c 6 0 0 0 系列芯片的特性，c 6 2 0 5 处理器基于一种典型的v l i wd s p 结构一t i 的 v e l o c i t i t m 结构，由多个并行运行的单元组成。这些单元在单个时钟周期内可执行多条指令，因此 突破传统设计而获得较高性能。c 6 2 0 5 处理器主要由三个部分组成：c p u 内核，外设和存储器。c p u 内核中8 个功能单元可以并行操作，这些功能单元被分为类似的两套，每套由4 个基本功能单元组 成。c p u 有两组寄存器，每组寄存器由1 6 个3 2 位寄存器组成。片内程序存储器的总线宽度为2 5 6 b i t ， 使每个周期可取8 条3 2 位指令。图2 - 3 1 1 】所示为c 6 2 0 5 芯片内部结构模块图。 图2 3c 6 2 0 5 芯片内部结构模块图 从图2 3 可看出，c 6 2 0 5 处理器芯片内部集成了e m i f 、d m a 、p c i 、m c b s p s 、定时器这些外围设 备，目的是以便于控制片外的存储器、协处理器、主机和串行设备的通信。本课题中接触最多的是 图中用阴影表示的p c i 接口。 p c i 总线设备分为主( m a s t e r ) 设各和从( s l a v e ) 设备，主设备拥有总线控制权，是发起数据交换 的一方，从设备则响应主设备提出的数据交换请求。c 6 2 0 5 处理器中p c i 接口管脚原理图如图2 - 4 所示。 7 东南大学硕七学位论文 a d l 3 t 0 1 p c b e 3 p c b e 2 p c b e l 弼蛩稃 p r e q p m e 3 3 y a u x d e t p w rw k p 3 。3 v 翻l x 图2 - 4c 6 2 0 5 芯片p c i 接口管脚原理图 p c u 朔d s e l 坌匙曼至1 p f r a m 匹 p i h 弱 p p a r p i r d y p s t o p p t r d y 乒s e r r p p e 双 x s p x s pc s x s pc u x s pd i 如图2 - 4 所示，p c i 接口信号主要由时钟模块，控制模块，地址数据模块，仲裁模块，错误报告 模块，命令使能模块，串行e e p r o m 模块和电源管理模块8 部分组成。其各引脚的输入输出类型及 用途如表2 1 所示。 p c i 总线传输机制可以是突发成组传输。一个突发成组由一个地址周期和一个或多个数据周期 组成。p c i 总线定义了三个物理地址空间：内存地址空间、i o 地址空间和配置空间。p c i 支持加 空间和存储器空间的突发传输。在p c i 总线中，除了复位信号和中断请求信号之外，其他所有信号 都在时钟上升沿被采用。所有的数据传输基本上由三个信号p f r a m e ，和p t r d y 控制。其中 p f r a m e 由土设备驱动指明一次传输的起始和结束；p i r d y 由主设备驱动控制，允许插入等待 周期：p t r d y 由从设备驱动，允许插入等待周期。 一旦主设备设置了p i r d y 信号，将不能改变p i r d y 和p f r a m e ，必须直到当前数据期 完成为止。而一个从设备一旦设置了p i r d y 信号或p f r a m e 信号，就不能改变p d e v s e l 、 p t r d y 或p s t o p 了，必须直到当前的数据周期完成。也就是说不管是主设备还是从设备只要 承诺了数据传输就必须进行到底。 当最后一次数据传输时，有时紧接地址周期之后主设备应撤消p f r a m e 信号而建立p i r d y 信号，表明主设备已做好了最后一次数据传输的准备，待到从设备发出p t r d y 信号后，就说明将 进行最后一次数据传输。数据传输完成后p f r a m e 和p i r d y 信号均撤消，接口回到空闲状态。 总而言之，p c i 总线传输一般遵循如下几点规则： ( 1 ) 基本的总线传输机制是突发传输，包括一个地址周期和若干个数据周期； ( 2 ) 除p r s t 复位信号，p i n t a 中断请求信号之外的其他信号都是在p c i 总线时钟上升沿被采样； ( 3 ) p c i 总线上所有的数据传输基本上都是由三条信号线控制，即p f r a m e 、p i r d y 和 p t r d y 。当p f r a m e 和p i r d y 都无效时，接口处于空闲状态。在p f r a m e 信号建立之后 8 第二章p c i 总线协议与数字多普勒系统硬件分析 的第一个时钟前沿是地址周期，在这个时钟前沿上传地址和总线命令，下一时钟前沿开始一个或若 干个数据周期。只有当p i r d y 和p t r d y 都有效的时钟沿才能进行一次数据传输； ( 4 ) p f r a m e 撤销而p i r d y 建立，表示主设备准备好了最后一次数据传输，等到目标设备发出 了阿y 信号，就标志着最后一次传输的完成。 表2 - 1c 6 2 0 5 芯片p c i 接口管脚信号类型及用途 模块名称类型 用途 系统时钟信号 p c l k 输入系统时钟输入信号，整个系统同步的依据 p i d s e l输入 系统通过该信号选择p c i 槽口进行访问配置 p d e v s e l 通知主设备已有从设备接收选择 输入出 输入出帧周期信号，表示访问的开始及持续 p f r a m e p i n t a 中断请求信号输出 接口控制信号 p p a r 输入出奇偶校验，检夯对地址数据信号完整性 p r s t 输入复位信号，使c 6 2 0 5 状态同到规定的初始态 p i r d y 指示主设备准备好本次数据传输输入出 p s t o p 设备停i 卜信号输入出 p t r d y 输入出指示从设备准备好本次数据传输 a d 3 1 ：o 】 输入出 地址、数据多路复用的三态输入输出信号 地址数据命令 输入出总线命令和字节使能多路复用信号 p c b e 3 ：0 】 p g n t 输入 表明主设备是否拥有总线控制权 总线仲裁信号 输出 主设备用此信号申请总线控制权 p r e q p s e r r 输出用米通知系统发生严重错误 错误报告信号 p p e r r 输入出 用来通知系统发生奇偶校验错误 x s p c l k 输出串行e e p r o m 始终信号 串行e e p r a m x s pd o 输出串行e e p r o m 数据输出 控制信号 x s pd i 输入串行e e p r o m 数据输入 x s pc s 输出串行e e p r o m 芯片的选择 p m e 输出电源管理信号 电源管理 输入 电源唤醒信号 p j r ? w k p 2 3 2 c 6 2 0 5 处理器p c i 接口编址 p c i 总线定义了三个物理地址空间：配置空间，i o 空间和内存地址空间。 c 6 2 0 5p c i 接口配置寄存器有2 5 6 字：肖的地址空间。前6 4 字节是标准化的，为头标区。这些寄 存器只能被p c i 主设备访问。它包含了厂商号，设备号，命令寄存器，状态寄存器，版本号，基址 中断号等标准的p c i 配置信息。c 6 2 0 5 处理器p c i 配置寄存器如图2 5 所示。 9 东南大学硕士学位论文 a d d r e s sa c c e s s b y t e3e q t e2 b y t e l b y t e 0 孰删o 喇yd e v i c el dv e n d o rl d o 冁 r e a d w r i t e s t a w sc o m m a n d 饿粥 m a d o r w c l 刮薅c o d e r e v i s i o nl o o c hh 姥k l 嘲簿r e s e r v e dh e a d e ft y p e l a z e a c yt m n e r c a c h el j n es i z e 1 翰 m a c v w a t e b a s e0a d d r e 铭( 4 m - b ) 1 2 弘喇躐c 争强域e j i 锄r e m b a s e1a 痤蜘0 1 v l - b ! ，t e 瑚朝翻偿绝托缸盔 e 1 鞠 托增婚魄 b a s e 2 凡始陀翰辑w o r d s l 硒 2 钝删呻r e s e w e d 2 c 扣r e a d 吨 s u b s y s t e mi d s u b s y s t e mv e n d o r d 3 0 孰 r e a d o 掰y r e 匏= r v e d 3 4 hr e a do r d y r e s e r v e d e a p 曲鞣妊融p o m 静 3 8 h r e a d o 嘶 r e 谢v e d 3 c | 1r e a d w r i t e m a x _ l a t e n c y 拟酗g 陀瞰 l n m r r u p cp i n| n t e r m 陬l i n e 钧魏r e a d 锄p a 错e rm a n a g e m e n te 捌删戮e 3k e 斑 t e r np o 淝