基于CH365芯片的PCI总线接口卡的设计与实现
1 引 言
ISA(Industry Standard Architecture，工业标准结构)总线是上世纪八十年代中期出现的工业现场控制总线。ISA总线数据传输速率较低，又不能动态地分配系统资源，且对CPU占用率高，相应的插卡数量有限，并且如果几个设备同时调用共享的系统资源，很容易出现冲突现象。所以ISA总线被PCI总线为代表的新一代计算机总线替代成为必然。与ISA总线相比，32位的PCI总线速度更快(数据传输率为133 Mb／s)、实时性更好、可控性更佳，更易于实现高速实时的I／O口控制卡、通信接口卡、数据采集卡等。但PCI总线也因其32位地址与数据复用、控制总线及时序较复杂等原因导致以FPGA实现比较困难。本文所述通过CH365芯片可以快速实现PCI接口电路的设计，支持ISA总线接口向PCI总线接口的升级，并且由CH365芯片的本地硬件地址功能可以实现原系统软件无需修改就可使用，大大降低了板卡升级的时间周期和开发难度，具有较高的实用价值和推广价值。
2 PCI总线的特点
PCI是先进的高性能局部总线，可同时支持多组外围设备。其特点是：总线操作与处理器一存储器子系统操作并行；线性突发传输；极小的存取延误；不受处理器限制；基于PCI卡设备信息，全自动配置与资源分配，实现即插即用。
PCI的地址空间有3类：存储器、I／O和配置地址空间。存储器空间和I／O空间同以前的ISA总线规范相同，而配置空间是PCI所特有的。配置空间使系统处理器能够枚举PCI总线上的各种设备，并根据设备要求自动配置存储器和I／O的地址空间。操作系统在自检的过程中检测所有PCI设备，读取设备的配置信息，并给每一设备分配系统资源，如中断、I／O空间、存储器空间等。在PCI系统结构中，为每个PCI都提供了256个字节(至少是前64个字节)的配置空间，这256个字节的配置空间中前64个字节称为头区域，是每一个PCI设备都应该实现的，他的主要功能是识别PCI接口设备，以及PC访问板卡的方式等。其余的192个字节根据不同的PCI设备有所不同。
3 PCI接口芯片的选择
PCI接口电路至少实现如下功能：
(1) 高速的地址产生单元；
(2) 地址译码及命令译码单元；
(3) 标准配置寄存器(64个字节)、PCI总线逻辑接口单元、用户设备逻辑接口、数据缓冲区等。
所以若用FPGA芯片直接设计PCI接口则难度大且开发周期长，而专用的PCI接口芯片可以实现完整的PCI主控模块和目标模块接口功能，将复杂的PCI总线接口转换为相对简单的接口。
目前常用的PCI专用接口芯片有PLX公司PCI90XX系列，AMCC公司S59XX系列，南京沁恒公司的CH365通用PCI接口芯片。其中南京沁恒公司的CH365是国内自主开发的PCI总线接口芯片，CH365将32位高速PCI总线转换为简便易用的类似于ISA总线的8位主动并行接口，并提供独有的本地硬件地址请求功能，适合制作低成本的基于PCI总线的计算机板卡，以及将原先基于ISA总线的板卡升级到PCI总线上。另外CH365价格便宜、使用方法简单，非常适合用于短周期、低成本PCI接口卡的制作。
CH365是一个连接PCI总线的通用接口芯片，可将32位高速PCI总线转换为主动8位并行接口并提供16位地址，可以进行I／O及存储器的读和写，可以设定PCI板卡的设备标识。
CH365非突发存取的实测速度可达7 MB／s，写脉冲的宽度从30～240 ns可选；自动分配I／O基址，I／O空间占用256个，其中偏移00～EFH共240 B的标准的本地I／O端口，而F0～FF为CH365内部使用的寄存器，对I／O端口操作只须I／O基址加上偏移量；通过该接口直接升级ISA的I／O板卡到PCI总线，完全不需要修改原ISA卡的相关软件；直接映射支持容量为32 kB的存储器SRAM或者扩展ROM(BootROM)，偏移地址0000～7FFFH；提供两线串行主机接口，可以挂接类似24C0X的两线串口E2PROM器件；支持Windows 98／ME／2000／XP，通过DLL提供应用层API。
CH365的地址引脚A15～A0用于提供相对于基址的偏移地址，引脚D7～D0为双向数据引脚，与设备相连。IOP_RD用于提供I／O读选通信号，IOP_WR用于提供I／O写选通信号，MEM_RD用于提供存储器读选通信号，MEM_WR用于提供存储器写选通信号，上述引脚均为低电平有效。与PCI总线相连的引脚直接与PCI总线对应。
4 PCI接口卡的设计和实现
4.1 原ISA接口卡简介
原ISA总线接口卡是一个多路数据采集板，接口卡所采集数据由板上单片机与ISA总线通过双口RAM进行数据交换。双口RAM的11位地址线与ISA总线的低口位地址线相连作为局部地址；ISA总线接口板的高位地址与GAL168V芯片相连，由预先设置在GAL168V芯片中的地址作为接口板基址；双口RAM的左数据线通过一个8路总线收发器隔离后与ISA总线数据线相连，右地址线、数据线与单片机相连。
4.2 PCI接口卡的设计和实现
为了实现PCI总线接口需在原ISA接口板上加上CH365芯片及其周边电路。CH365芯片与PCI总线的连接符合PCI总线规范，而CH365芯片提供的本地总线接口端与ISA总线接口类似。为了减少总线接口改变带来的改动，本文利用CH365芯片的本地硬件地址功能设定接口卡的本地硬件地址。
4.2.1 本地硬件地址功能的实现
CH365提供一种可以由板卡制造商选定PCI设备I／O口地址的方法，即本地硬件定址，其原理是将PCI设备的部分I／O口地址译码，通过外围的二级译码电路来实现。外围的二级译码电路比较简单，与ISA总线的I／O译码电路类似，CH365将PCI总线I／O操作地址同步提供给外围电路，当外围电路对地址译码匹配后，向CH365请求本地硬件定址，再由CH365请求PCI总线在该特定I／O口地址范围内进行读写操作。
为启用CH365提供的本地硬件定址功能，需将CH365局部数据总线端中D4线弱下拉接地(即设定值=0)，以设置CH365工作于本地硬件定址模式。外围二级译码电路可由GAL16V8实现。
4.2.2 双口RAM的读写
CH365的本地地址线和数据线端与双口RAM相连。双口RAM允许2个CPU同时读取任何存储单元(包括同时读同一地址单元)，但不允许同时写或一读一写同一地址单元，否则就会出现写入值和读出值不是期望值的混乱状态。虽然双口RAM本身带有BUSY控制信号来协调两端的访问，但BUSY信号脚要求与两侧CPU的READY线相连，而CH365并不具有READY信号线，因此，需要引入仲裁逻辑控制模块。常用的双口RAM解决地址竞争的途径有：令牌传递法、基于邮箱机制的INT中断法以及插入等待周期的BUSY法等。在本系统中采用第二种方法。
基于邮箱机制的INT中断法的基本思想是：给每个端口分配一个地址作为邮箱，比如本系统可以令CH365使用00H，单片机使用8000H，这两个地址用来装载作为分配两端口RAM使用权的依据数据。具体约定为：当左端口CH365写地址单元00H时，通过逻辑器件可实现右中断DSP INT(DSP中断)为低，向DSP发出中断清求，DSP读地址单元00H时，DSP INT为高，复位CH365发出的中断请求。同理，当右端口写地址单元8000H时，左中断INT REQ(CH365中断)为低，可向左端口发出中断请求；而当左端口读地址8000H时，INT_REQ为高，复位DSP发出的中断请求。当信箱内容为00时，表示正在使用该方端口；当信箱内容为FFH时，表示结束使用该端口。因此，双方在对端口的其他单元进行读写操作开始时，需要向邮箱中写入00H，操作结束，写入FFH。如果没有发生争用，则直接进行读写操作，否则，慢的一方产生中断，并查询对方邮箱，直到对方邮箱内容为FFH。具体实现可借助CPLD来完成。
4.2.3 PCI接口卡设计中应注意的问题
PCI接口作为高频数字电路，电磁兼容设计尤为重要，在设计PCB板时需要参考PCI总线规范。CH365的PCI信号的走线长度应小于35 mm，尽量走弧线或者45°线，信号布线尽量在元件面，在PCB背面保留大面积接地覆铜。CH365芯片有3对电源引脚，在制作印制板时，应在每对电源附近放置高频消磁退耦电容。
4.2.4 PCI接口卡的硬件电路原理
5 结 语
本文所述，通过增加一片CH365芯片，采用硬件地址方式所设计的PCI接口卡，可获得和原ISA卡完全相同的性能。而用户计算机控制程序不用作任何修改，仅仅在PCI板卡插入计算机过程中，添加CH365芯片的驱动程序而已，从而避开繁杂的PCI总线接口规范标准，大大简化了PCI接口卡设计的难度，同时也极大地降低了PCI卡开发和制造的成本，具有较好的市场前景。本文所升级的PCI接口卡已经实际使用，功能正常，取得了很好的效果。
ISA(Industry Standard Architecture，工业标准结构)总线是上世纪八十年代中期出现的工业现场控制总线。ISA总线数据传输速率较低，又不能动态地分配系统资源，且对CPU占用率高，相应的插卡数量有限，并且如果几个设备同时调用共享的系统资源，很容易出现冲突现象。所以ISA总线被PCI总线为代表的新一代计算机总线替代成为必然。与ISA总线相比，32位的PCI总线速度更快(数据传输率为133 Mb／s)、实时性更好、可控性更佳，更易于实现高速实时的I／O口控制卡、通信接口卡、数据采集卡等。但PCI总线也因其32位地址与数据复用、控制总线及时序较复杂等原因导致以FPGA实现比较困难。本文所述通过CH365芯片可以快速实现PCI接口电路的设计，支持ISA总线接口向PCI总线接口的升级，并且由CH365芯片的本地硬件地址功能可以实现原系统软件无需修改就可使用，大大降低了板卡升级的时间周期和开发难度，具有较高的实用价值和推广价值。
2 PCI总线的特点
PCI是先进的高性能局部总线，可同时支持多组外围设备。其特点是：总线操作与处理器一存储器子系统操作并行；线性突发传输；极小的存取延误；不受处理器限制；基于PCI卡设备信息，全自动配置与资源分配，实现即插即用。
PCI的地址空间有3类：存储器、I／O和配置地址空间。存储器空间和I／O空间同以前的ISA总线规范相同，而配置空间是PCI所特有的。配置空间使系统处理器能够枚举PCI总线上的各种设备，并根据设备要求自动配置存储器和I／O的地址空间。操作系统在自检的过程中检测所有PCI设备，读取设备的配置信息，并给每一设备分配系统资源，如中断、I／O空间、存储器空间等。在PCI系统结构中，为每个PCI都提供了256个字节(至少是前64个字节)的配置空间，这256个字节的配置空间中前64个字节称为头区域，是每一个PCI设备都应该实现的，他的主要功能是识别PCI接口设备，以及PC访问板卡的方式等。其余的192个字节根据不同的PCI设备有所不同。
3 PCI接口芯片的选择
PCI接口电路至少实现如下功能：
(1) 高速的地址产生单元；
(2) 地址译码及命令译码单元；
(3) 标准配置寄存器(64个字节)、PCI总线逻辑接口单元、用户设备逻辑接口、数据缓冲区等。
所以若用FPGA芯片直接设计PCI接口则难度大且开发周期长，而专用的PCI接口芯片可以实现完整的PCI主控模块和目标模块接口功能，将复杂的PCI总线接口转换为相对简单的接口。
目前常用的PCI专用接口芯片有PLX公司PCI90XX系列，AMCC公司S59XX系列，南京沁恒公司的CH365通用PCI接口芯片。其中南京沁恒公司的CH365是国内自主开发的PCI总线接口芯片，CH365将32位高速PCI总线转换为简便易用的类似于ISA总线的8位主动并行接口，并提供独有的本地硬件地址请求功能，适合制作低成本的基于PCI总线的计算机板卡，以及将原先基于ISA总线的板卡升级到PCI总线上。另外CH365价格便宜、使用方法简单，非常适合用于短周期、低成本PCI接口卡的制作。
CH365是一个连接PCI总线的通用接口芯片，可将32位高速PCI总线转换为主动8位并行接口并提供16位地址，可以进行I／O及存储器的读和写，可以设定PCI板卡的设备标识。
CH365非突发存取的实测速度可达7 MB／s，写脉冲的宽度从30～240 ns可选；自动分配I／O基址，I／O空间占用256个，其中偏移00～EFH共240 B的标准的本地I／O端口，而F0～FF为CH365内部使用的寄存器，对I／O端口操作只须I／O基址加上偏移量；通过该接口直接升级ISA的I／O板卡到PCI总线，完全不需要修改原ISA卡的相关软件；直接映射支持容量为32 kB的存储器SRAM或者扩展ROM(BootROM)，偏移地址0000～7FFFH；提供两线串行主机接口，可以挂接类似24C0X的两线串口E2PROM器件；支持Windows 98／ME／2000／XP，通过DLL提供应用层API。
CH365的地址引脚A15～A0用于提供相对于基址的偏移地址，引脚D7～D0为双向数据引脚，与设备相连。IOP_RD用于提供I／O读选通信号，IOP_WR用于提供I／O写选通信号，MEM_RD用于提供存储器读选通信号，MEM_WR用于提供存储器写选通信号，上述引脚均为低电平有效。与PCI总线相连的引脚直接与PCI总线对应。
4 PCI接口卡的设计和实现
4.1 原ISA接口卡简介
原ISA总线接口卡是一个多路数据采集板，接口卡所采集数据由板上单片机与ISA总线通过双口RAM进行数据交换。双口RAM的11位地址线与ISA总线的低口位地址线相连作为局部地址；ISA总线接口板的高位地址与GAL168V芯片相连，由预先设置在GAL168V芯片中的地址作为接口板基址；双口RAM的左数据线通过一个8路总线收发器隔离后与ISA总线数据线相连，右地址线、数据线与单片机相连。
4.2 PCI接口卡的设计和实现
为了实现PCI总线接口需在原ISA接口板上加上CH365芯片及其周边电路。CH365芯片与PCI总线的连接符合PCI总线规范，而CH365芯片提供的本地总线接口端与ISA总线接口类似。为了减少总线接口改变带来的改动，本文利用CH365芯片的本地硬件地址功能设定接口卡的本地硬件地址。
4.2.1 本地硬件地址功能的实现
CH365提供一种可以由板卡制造商选定PCI设备I／O口地址的方法，即本地硬件定址，其原理是将PCI设备的部分I／O口地址译码，通过外围的二级译码电路来实现。外围的二级译码电路比较简单，与ISA总线的I／O译码电路类似，CH365将PCI总线I／O操作地址同步提供给外围电路，当外围电路对地址译码匹配后，向CH365请求本地硬件定址，再由CH365请求PCI总线在该特定I／O口地址范围内进行读写操作。
为启用CH365提供的本地硬件定址功能，需将CH365局部数据总线端中D4线弱下拉接地(即设定值=0)，以设置CH365工作于本地硬件定址模式。外围二级译码电路可由GAL16V8实现。
4.2.2 双口RAM的读写
CH365的本地地址线和数据线端与双口RAM相连。双口RAM允许2个CPU同时读取任何存储单元(包括同时读同一地址单元)，但不允许同时写或一读一写同一地址单元，否则就会出现写入值和读出值不是期望值的混乱状态。虽然双口RAM本身带有BUSY控制信号来协调两端的访问，但BUSY信号脚要求与两侧CPU的READY线相连，而CH365并不具有READY信号线，因此，需要引入仲裁逻辑控制模块。常用的双口RAM解决地址竞争的途径有：令牌传递法、基于邮箱机制的INT中断法以及插入等待周期的BUSY法等。在本系统中采用第二种方法。
基于邮箱机制的INT中断法的基本思想是：给每个端口分配一个地址作为邮箱，比如本系统可以令CH365使用00H，单片机使用8000H，这两个地址用来装载作为分配两端口RAM使用权的依据数据。具体约定为：当左端口CH365写地址单元00H时，通过逻辑器件可实现右中断DSP INT(DSP中断)为低，向DSP发出中断清求，DSP读地址单元00H时，DSP INT为高，复位CH365发出的中断请求。同理，当右端口写地址单元8000H时，左中断INT REQ(CH365中断)为低，可向左端口发出中断请求；而当左端口读地址8000H时，INT_REQ为高，复位DSP发出的中断请求。当信箱内容为00时，表示正在使用该方端口；当信箱内容为FFH时，表示结束使用该端口。因此，双方在对端口的其他单元进行读写操作开始时，需要向邮箱中写入00H，操作结束，写入FFH。如果没有发生争用，则直接进行读写操作，否则，慢的一方产生中断，并查询对方邮箱，直到对方邮箱内容为FFH。具体实现可借助CPLD来完成。
4.2.3 PCI接口卡设计中应注意的问题
PCI接口作为高频数字电路，电磁兼容设计尤为重要，在设计PCB板时需要参考PCI总线规范。CH365的PCI信号的走线长度应小于35 mm，尽量走弧线或者45°线，信号布线尽量在元件面，在PCB背面保留大面积接地覆铜。CH365芯片有3对电源引脚，在制作印制板时，应在每对电源附近放置高频消磁退耦电容。
4.2.4 PCI接口卡的硬件电路原理
5 结 语
本文所述，通过增加一片CH365芯片，采用硬件地址方式所设计的PCI接口卡，可获得和原ISA卡完全相同的性能。而用户计算机控制程序不用作任何修改，仅仅在PCI板卡插入计算机过程中，添加CH365芯片的驱动程序而已，从而避开繁杂的PCI总线接口规范标准，大大简化了PCI接口卡设计的难度，同时也极大地降低了PCI卡开发和制造的成本，具有较好的市场前景。本文所升级的PCI接口卡已经实际使用，功能正常，取得了很好的效果。