一種Windows2000下連續(xù)輸出數(shù)據(jù)的PCI卡

摘要：介紹PCF1536的設(shè)計(jì)原理和硬件結(jié)構(gòu)；詳細(xì)討論了大容量FIFO的結(jié)構(gòu)及用CPLD實(shí)現(xiàn)FIFO控制器；計(jì)算PCF1536工作于Windows2000操作系統(tǒng)下允許的最大中斷延遲jb后將PCF1536應(yīng)用于多路D/A轉(zhuǎn)換器，指出Windows2000的中斷延遲遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于41.2毫秒。

在視頻輸出、聲吶仿真等實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常要求計(jì)算機(jī)能根據(jù)要求穩(wěn)定輸出連續(xù)數(shù)據(jù)流。然而，當(dāng)計(jì)算機(jī)工作于Windows2000操作系統(tǒng)下時(shí)，由于該操作系統(tǒng)是一個(gè)多任務(wù)的非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，當(dāng)它收到外部設(shè)備發(fā)來(lái)的中斷時(shí)，需要延遲一定時(shí)間間隔后，才開(kāi)始執(zhí)行中斷服務(wù)程序。這樣，從計(jì)算機(jī)I／O口直接輸出的數(shù)據(jù)流只能是間歇的數(shù)據(jù)流，無(wú)法提供連續(xù)數(shù)據(jù)流，不能滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。

幸運(yùn)的是，許多實(shí)際應(yīng)用只需要低速的連續(xù)數(shù)據(jù)流?？梢岳肞CI總線的高速數(shù)據(jù)傳輸特性，在PCI接口后加入一個(gè)大容量FIFO存儲(chǔ)器，高速的PCI數(shù)據(jù)流從FIFO存儲(chǔ)器的輸入端輸入，在FIFO的輸出端就能獲得低速的連續(xù)數(shù)據(jù)流。這樣屏蔽了Windows2000的非實(shí)時(shí)性，成功滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。在圖1所示的具體應(yīng)用中，計(jì)算機(jī)與PCI卡之間通過(guò)PCI總線形成峰值速率達(dá)132MB／s的間歇數(shù)據(jù)流；PCI卡通過(guò)局部總線與大容量存儲(chǔ)器之間同樣是峰值速率達(dá)132MB／s的間歇數(shù)據(jù)流；最后通過(guò)多路D／A轉(zhuǎn)換電路獲得了速率為16MB／s的連續(xù)數(shù)據(jù)流。

圖1和圖2

    為了便于應(yīng)用，將PCI接口模塊與大容量存儲(chǔ)器結(jié)合，設(shè)計(jì)了一塊能在Windows2000下以16MB／s的速率連續(xù)輸出數(shù)據(jù)的PCI卡PCFl536。

1 PCFl536的工作原理

PCI卡PCFl536是一個(gè)帶有1536KB FIFO的通用PCI卡；在Windows2000操作系統(tǒng)下，它能以16MB／s的速度連續(xù)輸出數(shù)據(jù)。圖2是PCFl536的結(jié)構(gòu)框圖，整個(gè)PCFl536包括PCI接口、大容量FIFO存儲(chǔ)器和驅(qū)動(dòng)器三個(gè)模塊。

1．1 PCI接口模塊

PCI接口模塊由PCI9052和配置EEPROM 93LC46組成。PCI9052是PLX技術(shù)公司的產(chǎn)品，兼容于PCI協(xié)議 (2．1版)；它可作為PCI總線的從設(shè)備，支持32位數(shù)據(jù)；突發(fā)傳輸。圖3是PCI9052與PCI金手指和存儲(chǔ)器模塊的連接示意圖。

    PCI9052與存儲(chǔ)器有三種連接方式：數(shù)據(jù)地址復(fù)用、奴據(jù)地址非復(fù)用和ISA方式。在PCFl536中，PCI9052架用數(shù)據(jù)地址非復(fù)用方式連接FIFO存儲(chǔ)器。其時(shí)序參見(jiàn)文獻(xiàn)[1]。PCI9052與FIFO的連接信號(hào)中，ADS表示一次突發(fā)傳輸?shù)拈_(kāi)始，BLAST表示一次突發(fā)傳輸?shù)慕Y(jié)束，LAD[0：31]為32位數(shù)據(jù)，LBE[0：3]為字節(jié)有效信號(hào)。緩存后的時(shí)鐘輸出信號(hào)BCLKO經(jīng)74LS00送回PCI9052，同時(shí)也送到FIFO。FIFO半滿時(shí)發(fā)出的中斷信號(hào)通過(guò)LINTl1進(jìn)入PCI9052，再通過(guò)INTA發(fā)送給CPU。由于FIFO的寫(xiě)入不需要地址，因此PCI9052與FIFO之間沒(méi)有地址連接。

1．2 存儲(chǔ)器模塊

1．2．1 存儲(chǔ)器組織

圖4

    存儲(chǔ)器模塊由CPLD器件EPM7128SQCl00和四片F(xiàn)IFO器件AL422B組成。AL422B是AVERLOGIC公司的產(chǎn)品，每片AL422B包含384Kx8位DRAM，主要應(yīng)用于視頻輸出。在現(xiàn)有的FIFO存儲(chǔ)器中，AL422B具有最低的價(jià)格／存儲(chǔ)位比。這是PCFl536選擇使用AIA22B的主要原因。AL422B的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。它能完成初始化、復(fù)位、寫(xiě)和讀等四種操作。初始化操作發(fā)生在上電后0．1ms內(nèi)，WRST和RRST保持為低電子，然后可以開(kāi)始正常操作。復(fù)位操作中，WRST有效，則輸入數(shù)據(jù)地址設(shè)置為0且清空輸入緩存；RRST有效，則數(shù)據(jù)輸出地址設(shè)置為0且將數(shù)據(jù)預(yù)取到輸出緩存。當(dāng)WE有效時(shí)，完成寫(xiě)操作，在WCK上升沿將D17～D10寫(xiě)入寫(xiě)數(shù)據(jù)寄存器；WE無(wú)效時(shí)，禁止寫(xiě)操作，寫(xiě)地址計(jì)數(shù)器保持不變。

四片AL422B通過(guò)位擴(kuò)展成384K×32位的FIFO存儲(chǔ)器，如圖5所示。

1．2．2 存儲(chǔ)器控制器

AIA22B雖然有不同的數(shù)據(jù)輸入和輸出端口，但與通用FIFO存儲(chǔ)器不同，它并不提供半滿信號(hào)、數(shù)據(jù)有效信號(hào)等。因此AL422B不是完全意義上的FIFO存儲(chǔ)器。在PCFl536上，使用一片可編程邏輯設(shè)備EPM7128作為FIFO控制器，全面控制AL422B的功能。從圖2和圖5可以看出，EPM7128為FIFO提供RCK、RRST、RE、D1[0：31]、OE、WE、TST、WRST和WCK等讀寫(xiě)控制信號(hào)；當(dāng)FIFO半滿時(shí)提供半滿信號(hào)HF；另外EPM7128為外設(shè)提供正負(fù)數(shù)據(jù)有效信號(hào)、4MHz和8MHz的時(shí)鐘佰弓毒世外設(shè)靈活使用。圖6是用VHDL語(yǔ)言對(duì)EPM7128編程而成的FIFO控制器。該控制器由JTAG模塊、寫(xiě)模塊、讀模塊和控制模塊組成。計(jì)算機(jī)通過(guò)JTAG接口對(duì)EPM7128現(xiàn)場(chǎng)編程。當(dāng)PCI9052的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后，寫(xiě)模塊按LCLK時(shí)鐘將數(shù)據(jù)讀入，接著按WCK時(shí)鐘將數(shù)據(jù)寫(xiě)入AL422B。在FIFO控制器的控制下，整個(gè)384K×32位的FIFO存儲(chǔ)器被分為A、B兩部分。當(dāng)數(shù)據(jù)從A部分讀出時(shí)，PCI9052將數(shù)據(jù)寫(xiě)入B部分；反之， 當(dāng)數(shù)據(jù)從B部分讀出時(shí)，PCI9052將數(shù)據(jù)寫(xiě)入A部分。數(shù)據(jù)讀出的速率為16MB／s。當(dāng)A(或B)部分?jǐn)?shù)據(jù)讀完后，F(xiàn)IFO控制器接著從B(或A)部分讀數(shù)，并通過(guò)中斷通知CPU向A(或B)部分寫(xiě)入數(shù)據(jù)。如此循環(huán)往復(fù)。

圖5

    1．2．3 最大允許中斷延遲

要保證PCFl536輸出連續(xù)數(shù)據(jù)，就必須保證FIFO不會(huì)被讀空。FIFO輸出數(shù)據(jù)的同時(shí)，PC機(jī)必須及時(shí)補(bǔ)充數(shù)據(jù)。從上可知，整個(gè)FIFO存儲(chǔ)器被分成A、B兩部分，每部分容量均為192K×32位。下面分析當(dāng)數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)器B部分讀取、向存儲(chǔ)器A部分寫(xiě)入時(shí)，讀寫(xiě)FIFO存儲(chǔ)器的時(shí)間關(guān)系，如圖7所示。

假定PC機(jī)的中斷延遲時(shí)間為TINT_LAT，PC機(jī)寫(xiě)滿存儲(chǔ)器A部分所用時(shí)間為T(mén)PCI，剩余時(shí)間為T(mén)REM；讀完存儲(chǔ)器B部分所用時(shí)間為T(mén)OUT。如PCFl536輸出連續(xù)數(shù)據(jù)流，剩余時(shí)間TREM必須大于等于0。

通過(guò)以上計(jì)算，在Windows2000操作系統(tǒng)的最大中斷延遲不大于41．2ms的情況下，PCFl536能以16MB／s的傳輸率連續(xù)輸出數(shù)據(jù)。

    中斷延遲決定了硬件產(chǎn)生的中斷并得到PC機(jī)正確響應(yīng)的最高頻率。實(shí)際上，根據(jù)各種資料分析，雖然Windows2000操作系統(tǒng)的中斷延遲會(huì)隨著應(yīng)用條件不同而差異很大；但可以肯定的是，其中斷延遲遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于41．2ms。

1．3 驅(qū)動(dòng)器模塊

驅(qū)動(dòng)器模塊由七個(gè)7412245構(gòu)成。每個(gè)74LS245能為8位數(shù)據(jù)(信號(hào))提供驅(qū)動(dòng)，其中四個(gè)74LS245用作32位數(shù)據(jù)線的驅(qū)動(dòng)器，另外三個(gè)用作控制信號(hào)的驅(qū)動(dòng)。

每個(gè)74LS245的輸出分別連接到16腳的插座。16腳插座中的8個(gè)腳接信號(hào)線，另外8個(gè)腳接地線，以提高輸出信號(hào)的抗干擾能力。采用這種輸出方式，PCFl536與外設(shè)之間可以用4m的排線連接而不會(huì)受明顯干擾。

2 測(cè)試過(guò)程及測(cè)試結(jié)果

圖8是PCFl536卡的測(cè)試系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)重復(fù)發(fā)送如下數(shù)據(jù)：0x20002000、Ox32CF32CF、Ox3E6F3E6F、0x3E6F3E6F、Ox32CF32CF、0x20002000、0x0D300D30、0x01900190、Ox01900190、Ox0D300D30。以上10個(gè)數(shù)據(jù)實(shí)際上是對(duì)一個(gè)正弦波的10個(gè)均勻采樣值。用示波器監(jiān)視D／A轉(zhuǎn)換器的輸出。

    在示波器上可以觀測(cè)到：36路的D／A輸出都是穩(wěn)定的20kHz正弦波。該測(cè)試系統(tǒng)經(jīng)過(guò)連續(xù)48小時(shí)運(yùn)行，沒(méi)有出現(xiàn)計(jì)算機(jī)死機(jī)和停止發(fā)送數(shù)據(jù)的現(xiàn)象。因此，結(jié)論顯而易見(jiàn)：在Windows 2000操作系統(tǒng)下，PCFl536能以16MB／s的速度連續(xù)輸出數(shù)據(jù)，它滿足某些系統(tǒng)對(duì)連續(xù)數(shù)據(jù)流的要求。利用該測(cè)試系統(tǒng)，雖然不能準(zhǔn)確測(cè)出Windows2000的中斷延遲到底有多大，但可以肯定：Windows2000的中斷延遲遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于41．2ms。