第１期 ２０１２年０３月 电光 系统 Ｎｏ．１ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏ—ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｍａｒ．２０ｌ２ 基于ＰＣＩ９６５６控制芯片的ＤＭＡ传输设计 张际生，谭钦红，黄俊，徐沛 重庆邮电大学信号与信息处理重点实验室，重庆４０００６５ 摘 要：ＰＣＩ总线现已成为工业控制计算机应用的主流总线结构，本文在分析ＰＣＩ９６５６控制 芯片特性和ＤＭＡ传输机制的基础上给出了ＰＣＩ总线上实现ＤＭＡ数据高速传输的方法，该 传输方法是ＰＣＩ设备驱动程序的重要组成部分。设计采用Ｌｉｎｕｘ嵌入式系统作为开发平 台，并借助系统提供的操作函数，降低了设备驱动程序的开发难度，缩短了开发和调试周期。 关键词：ＰＣＩ９６５６；Ｌｉｎｕｘ；ＰＣＩ总线；ＤＭＡ；驱动 中图分类号：ＴＮ２１５ 文献标识码：Ａ ＤＭＡ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｅｓｉｇｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＰＣＩ９６５６ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ｃｈｉｐ ＺＨＡＮＧ Ｊｉ－ｓｈｅｎｇ。ＴＡＮ Ｑｉｎ－ｈｏｎｇ．ＨＵＡＮＧ Ｊｕｎ，ＸＵ Ｐｅｉ （Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｓｉｇｎａｌ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｆ ｏＰｏｓｔｓ ａｎｄ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００６５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＰＣＩ ｂｕｓ ｈａｓ ｂｅｃｏｍｅ ｔｈｅ ｍａｉｎｓｔｒｅａｍ ｏｆ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｂｕｓ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｏｐｏｓｅｓ ａ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ＤＭＡ ｄａｔａ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｎ ＰＣＩ ｂｕｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ＰＣＩ９６５６ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｈｉｐ ａｎｄ ＤＭＡ ｔｒａｎｓ・ ｍｉｓｓｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ．Ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ａｌｓｏ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｐａｒｔ ｏｆ ＰＣＩ ｄｅｖｉｃｅ ｄｒｉｖｅｒ．Ｌｉｎｕｘ—ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｕｓｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｐｌａｔｆｏｒｍ，ａｎｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｉｄ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｄｉｆ－ ｉｃｕｈｙ ｉｓ ｒｅｄｕｃｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｙｃｌｅ ｏｆ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｆ ａｎｄ ｄｅｂｕｇｇｉｎｇ ｉｓ ｓｈｏｒｔｅｎｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＰＣＩ９６５６；Ｌｉｎｕｘ；ＰＣＩ Ｂｕｓ；ＤＭＡ：Ｄｒｉｖｅｒ 用３２位６６ ＭＨｚ ＰＣＩ总线设计，它提供了两个 １ 前言 ＰＣＩ总线是一种为满足高速数据传输而设计 的一种于ＣＰＵ的局部总线，具有３２位和６４ 位两种复用的地址数据通道，可同时为处理器和 的ＤＭＡ通道，每个通道拥有的双向２５６字节 ＦＩＦＯ，并具备ＤＭＡ控制器、可编程直接主控、直接 从属数据传输模式以及ＰＣＩ信息传输功能，突发 传输速率可达５２８ Ｍｂ／ｓ，软件部分采用Ｌｉｎｕｘ ２．６ 内核作为开发平台，并借助内核提供的相关接口 存储器提供总线接口，并为外设提供高速数据通 道。可以想象，如果ＰＣＩ总线上的外设与存储器 之间的高速数据传输都需要ＣＰＵ参与其中，势必 函数以减轻开发难度。 ２ ＰＣＩ９６５６概述 ＰＣＩ９６５６是一款ＰＣＩ总线模式的接口电路芯 占用相当可观的系统资源。ＤＭＡ传输方式的出 现，正好解决了这一问题。ＤＭＡ是一种高速的数 据传输机制，它允许外设与存储器直接进行数据 的存取操作，而无需要通过ＣＰＵ，也无需ＣＰＵ的Ｔ 预，整个过程只在ＤＭＡ控制器的操作下进行。 片，可提供高性能６４位ＰＣＩ总线目标接口，其内 部结构框图如图１所示。 ＰＣＩ９６５６具有以下一些特点： （１）符合ＰＣＩ Ｖ ２．２协议，支持６６ ＭＨｚ时钟 ＤＭＡ传输方式可节约宝贵的系统资源并将其应用 于其他进程，提高了整个系统的工作效率。 为满足ＰＣＩ总线接口规范，本文采用ＰＣＩ ９６５６芯片作为硬件接口电路，该芯片主要用于通 ＰＣＩ总线，特别适合于ＰＣＩ总线的外设功能开发； （２）芯片结合领先的数据通道架构技术，具有 ＤＭＡ引擎，可编程直接主和直接从数据传输模式； 作者简介：张际生（１９８１－－），男，硕士研究生，研究方向：光通信接入网、嵌入式系统应用。 总第１３９期 张际生，等：基于ＰＣＩ９６５６控制芯片的ＤＭＡ传输设计 、Ｕ ～ 在Ｌｉｎｕｘ系统中，有一个指向所有ＰＣＩ设备 的指针ｐｃｉ—ｄｅｖｉｃｅｓ，ＰＣＩ设备描述结构体ｐｃｉ—ｄｅｖ 通过ｇｌｏｂａｌ—ｌｉｓｔ成员将自身链接到这条全局的 ＰＣＩ设备链表ｐｃｉ—ｄｅｖｉｃｅｓ上。这样，Ｌｉｎｕｘ内核就 可以用这个全局链表来迅速查找系统中的所有 ＰＣＩ设备。设备上电时，系统初始化代码通过扫 描当前ＰＣＩ总线的每个插槽是否被占用，读取每 个ＰＣＩ插槽中可能的ＰＣＩ设备Ｄｅｖｉｃｅ ＩＤ和Ｖｅｎ． ｄｏｒ ＩＤ．当发现插槽被占用则建立一个ｐｃｉ—ｄｅｖ数 据结构来描述此设备，并将此设备连接到全局ＰＣＩ 设备链表中。 Ｌｉｎｕｘ为所有的ＰＣＩ设备提供了统一的驱动 程序人口。如前所述，ＰＣＩ初始化代码在检测到 ＰＣＩ设备后，将会读取设备标识信息并为其建立一 个设备描述结构信息ｐｃｉ—ｄｅｖ，初始化代码随后根 据这个描述结构为该ＰＣＩ设备找到其对应的驱动 程序，ｐｃｉ—ｄｅｖ结构体中专门提供了一个ｐｃｉ—ｄｒｉｖｅｒ 成员结构体函数作为驱动程序入口。可以说，ＰＣＩ 驱动只是为了辅助设备本身的驱动，它为所有的 ＰＣＩ设备驱动提供了一个统一的接口。每一个通 过ＰＣＩ总线和系统连接的设备的驱动都包括ＰＣＩ 驱动和其自身设备驱动。在Ｌｉｎｕｘ系统中，采用 ｐｃｉ—ｄｒｉｖｅｒ结构体来定义ＰＣＩ驱动，该结构体包含 了ＰＣＩ设备的探测、移除、挂起和恢复等函数。数 据的ＤＭＡ传输是ＰＣＩ设备功能的一部分，也是其 驱动函数的一部分。 ３．２ ＤＭＡ通道申请与释放 在使用ＤＭＡ方式传输数据前，需要向系统申 ／设备关闭＼ 、 ／ ｌ释放中断号ｌｌ Ｊ ｌ释放ＤＭＡ通道 ＼ 释放完毕 ／ 图４相关资源申请与释放流程图 请一个ＤＭＡ通道。一般来说，该通道的申请会在 ＰＣＩ设备打开函数中实现，相应地，在设备的关闭 函数中需要释放该ＤＭＡ通道。整个申请和释放 流程如图４所示。 ＤＭＡ传输中需要用到中断资源，一般来说，中 断注册函数应该在ＤＭＡ通道申请之前被执行，在 ＤＭＡ通道释放之前被注销。中断资源的申请调用 Ｌｉｎｕｘ系统提供的ｒｅｑｕｅｓｔ—ｉｒｑ（）函数来完成，该函 数需提供使用该中断资源的硬件描述信息，这些 信息皆可由ＰＣＩ设备的配置空间中获得。接下来 进入ＤＭＡ通道的申请，该步骤将调用函数ｒｅｑｕｅｓｔ —ｄｍａ（），函数有两个参数：ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ ｃｈａｎｎｅｌ， ｃｏｎｓｔ ｃｈａｒ ｎａｍｅ，其中ｃｈａｎｎｅｌ为ＤＭＡ通道编号， 可选范围为０到７；ｎａｍｅ用来标识使用该通道的 设备，可以在用户空间查看。如果ＤＭＡ通道申请 失败，程序将跳出申请流程并释放中断资源然后 报错。 当设备关闭时，需要相应地释放中断资源和 ＤＭＡ通道，与打开函数相反，设备关闭函数是先注 销中断资源而后释放ＤＭＡ通道。中断注销函数 为ｆｒｅｅ—ｉｒｑ（），ＤＭＡ通道释放函数为ｆｒｅｅ—ｄｍａ（）． ３．３ ＤＭＡ缓冲区分配与释放 使用ＤＭＡ方式传输数据时需要开辟一块内 存区域用于与外设交互数据，这块内存区域被称 为ＤＭＡ缓冲区。Ｌｉｎｕｘ２．６内核中能够用于分配 ＤＭＡ缓冲区的函数有三个：ｋｍａｌｌｏｃ，一ｇｅｔ—ｆｒｅｅ—ｐａ— ｇｅｓ和ｐｃｉ—ａｌｌｏｃ—ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔ，本文采用一ｇｅｔ—ｆｒｅｅ—ｐａ— ｇｅｓ函数作为分配手段，该函数如下所示： ｇｅｔ—ｆｒｅｅ一—ｐａｇｅｓ（ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ ｆｌａｇｓ，ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ ｏｒｄｅｒ）； 函数中的ｆｌａｇ参数常常使用ＧＦＰ—ＫＥＲＮＥＬ或 者ＧＦＰ—ＡＴＯＭＩＣ；ｏｒｄｅｒ参数是请求的缓冲页面大 小，该参数是一个以２为底数的对数。如果不想 使用对数参数，可以使用ｇｅｔ—ｏｒｄｅｒ函数来从ｓｉｚｅ 中提取ｏｒｄｅｒ，这样就有： ｉｎｔ ｏｒｄｅｒ ｇｅｔ ｏｒｄｅｒ（ｓｉｚｅ）； ．ｒｅｔｕｒｎ—ｇｅｔ—ｆｒｅｅ—ｐａｇｅｓ（ＧＦＰ—ＫＥＲＮＥＬ，ｏｒ— ｄｅｒ）； 如果分配成功，函数将返回缓冲区第一页的 起始地址，在此将其保存在无符号长整型数ａｄｄｒ 中。当使用完ＤＭＡ缓冲区，可以使用ｆｒｅｅ—ｐａｇｅ 函数来予以释放，该函数如下所示： ｖｏｉｄ ｆｒｅｅ—ｐａｇｅ（ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｌｏｎｇ ａｄｄｒ） 电光 系统 第１期 ３．４缓冲区映射 在Ｌｉｎｕｘ系统中，程序使用虚拟地址来分配和 访问 存空间，但基于ＤＭＡ功能的ＰＣＩ设备却使 用总线地址来访问内存空间，于是在申请到缓冲 区后存在一个地址转换的问题。在Ｌｉｎｕｘ系统中 采用映射来解决这个问题。对于ＰＣＩ设备来说， 缓存区的映射有两种方式：流ＤＭＡ映射和一致 ＤＭＡ映射。程序开发人员被建议使用流ＤＭＡ映 射而不是一致ＤＭＡ映射。因为一致ＤＭＡ映射具 有很长的存活周期，它会占用一些相关的寄存器 而却只是在初期使用它们一次。此外，在一些硬 件上，某些可以用于流式ＤＭＡ映射上的优化手段 不能被运用在一致性ＤＭＡ映射上。本文的流 ＤＭＡ映射实现函数如下： ｄｍａ—ａｄｄｒ—ｔ ｄｍａ—ｍａｐ—ｓｉｎｇｌｅ（ｓｔｒｕｃｔ ｄｅｖｉｃｅ ｄｅｖ，ｖｏｉｄ ａｄｄｒ，ｓｉｚｅｔ ｓｉｚｅ，ｅｎｕｍ ｄｍａ—ｄａｔａ—ｄｒｅｃ— —ｔｉｏｎ ｄｉｒｅｔｉｏｎ）； 该函数返回缓存区的总线地址ｂｕｓ—ａｄｄｒ，同 时将总线的控制权交给外设ＤＭＡ控制器。函数 中，ｓｉｚｅ表示待发送数据的大小，ｄｉｒｅｔｉｏｎ表示数据 的传输方向，常用的选项有ＤＭＡ—ＴＯ—ＤＥＶＩＣＥ：数 据发送到外设、ＤＭＡ—ＦＲＯＭ—ＤＥＶＩＣＥ：数据来自于 外设。 ３．５ ＤＭＡ传输实现 ＤＭＡ是不通过ＣＰＵ而直接写入数据，它以块 的方式传输数据，只要设定本地和ＰＣＩ端的起始 地址、传输字节数和传输方式，再设置ＤＭＡ传输 方式就可以了。ＰＣＩ９６５６支持两个的ＤＭＡ通 道，能在ＰＣＩ总线和局部总线之间双向传输数据， 每个通道包含一个ＤＭＡ控制器和一个双向ＦＩＦＯ． 大多数ＤＭＡ控制器具有一个相似的架构，它有一 个ＤＭＡ缓冲区的开始地址和一个记录待传输数 据位字节数的计数寄存器，随着每次的传输，ＤＭＡ 控制器增加其地址寄存器数值和减小计数寄存器 数值。当计数寄存器减小到０时，ＤＭＡ控制器产 生一个中断，并准备下一次传输。 公共缓冲区 总线主 ＤＭＡ硬件 驱动程序 ——— 命令缓冲区 ］地址ｌ 状态缓冲区 Ｉ长度ｌ 图５ ＤＭＡ控制器架构图 ＰＣＩ９６５６提供了两个的ＤＭＡ通道，每个 通道拥有的双向２５６字节ＦＩＦＯ和ＤＭＡ控制 器，并具备可编程直接主控、直接从属数据传输模 式以及ＰＣＩ信息传输功能。由于两个ＤＭＡ通道 的数据传输实现原理基本相同，以下仅介绍ＰＣＩ 主控设备利用ＤＭＡ通道０实现数据传输的过程， 这个流程如图６所示。 图６数据传输流程图 此处将ＤＭＡ通道和缓冲区的申请作为传输 实现的前期准备工作。在传输的初始化阶段，首 先需要将缓冲区的虚拟地址映射成外设可以访问 的总线地址并设置数据的传输方向，这步工作调 用上节所述的ｄｍａ—ａｄｄｒ＿ｔ ｄｍａ—ｍａｐ—ｓｉｎｇｌｅ（）函数 来完成，该函数会返回一个缓冲区的总线地址并 将ＰＣＩ总线的控制权交给外设。由于该次传输选 用的是芯片的ＤＭＡ通道０，所以接下来要对相应 的ＤＭＡ控制器０进行设置，设置的内容有ＤＭＡ 控制器的工作模式、缓冲区总线地址、ＰＣＩ设备地 址、设置需发送数据长度等。当设置完毕后即可 使能该ＤＭＡ控制器并进人数据发送阶段。随着 每次的传输，ＤＭＡ控制器增加其地址寄存器数值 并减小计数寄存器数值。当计数寄存器减小到０ 时，ＤＭＡ控制器产生一个中断，该中断函数会产生 一个数据接收通知并释放外设对ＰＣＩ总线的控制 权。至此，一次ＰＣＩ主控设备至局部总线的ＤＭＡ 方式数据传输就已经完成了。 总第１３９期 张际生，等：基于ＰＣＩ９６５６控制芯片的ＤＭＡ传输设计 ６ｌ ４结束语 ＰＣＩ总线是当今的主流总线，它拥有较高的数 参考文献 ［１］董春桥，李凯．Ｌｉｎｕｘ系统ＰＣＩ设备驱动程序开发［Ｊ］． 计算机测量与控制，２００５，１３（１１）：１２８９—１２９１． ［２］Ｃｏｒｂｅｔ，Ｒｕｂｉｎｉ，Ｋｒｏａｈ—Ｈａｒｔｍａｎ．Ｌｉｎｕｘ．Ｄｅｖｉｃｅ．Ｄｒｉｖｅｒｓ ［Ｍ］．Ｏ’Ｒｅｉｌｌｙ Ｍｅｄｉａ．ｉｎｃ，２００５． 据传输带宽，ＤＭＡ技术以其高速大批量的传输特 性，能很好的匹配ＰＣＩ总线实现数据的传输，同时 还能减少ＣＰＵ的工作量，大大提高了系统的工作 ［３］刘秀萍，李艳芬．基于ＤＭＡ方式的高速数据传输技术 ［Ｊ］．导弹试验技术，２００９．０２：６１—６３． 效率。基于目前应用极为广泛的Ｌｉｎｕｘ操作系统， 本文介绍了系统中ＰＣＩ设备的定义及其驱动程序 中ＤＭＡ功能模块的一般结构，并对ＤＭＡ数据传 输的实现机制进行了描述。 ［４］赵利娜，贾毅东，欧攀．嵌入式Ｌｉｎｕｘ系统中的多层次 驱动程序［Ｊ］．计算机工程，２００９，３５（９）：６９—７１． ［５］魏蕾，宋荣杰．Ｌｉｎｕｘ下ＰＣＩ设备开发以及字符驱动程 序框架的研究［Ｊ］．现代电子技术，２００７，２４９（１０）：１３７ 一】３９． 一 一。。。 Ｌ＿＿＿＿＿ 儿 。。 …。儿 。。。 … ＿＿ ｕ 一 ＿Ｊ＿＿＿＿Ｌ 一 儿 “。。 。。 。。。。 ＿＿。。Ｌ＿。。山 Ｉ＿“ ’《电光系统》征稿简则 ，， “ 《电光系统》杂志由工业和信息化部主管，是中国电子科技集团公司第二十七研究所主办的学 术性科技期刊。 《电光系统》主要报道：测控技术；微波雷达，军用／民用激光雷达、测距机技术；工业激光技术；国 外激光技术发展；国内外靶场测量技术；计算机在现代电子技术中的应用；工业自动化控制；电子结构 与工艺技术等专业的论文、技术报告；民品和新产品开发等方面的研究进展或较新研究成果等。 稿件要求： １ 【－Ｊ １．文稿内容具有创新性、科学性或实用性，要求论点明确，主题突出，层次清楚，结构严谨，数 据可靠，图、表清楚紧凑（插图用“ＪＰＧ”、“ＴＩＦ”或“ＷＭＦ”格式），语言表达规范。 ２．要求附有中英文标题，１５０～２００字的中英文摘要、３—６个中英文关键词及中图分类号。 ３．第一作者的作者简介：姓名（出生年月）、性别、学历、职称、毕业院校、研究方向。 ４．文中所有物理量和单位应符合国家标准或国际标准，外文字母、单位、符号的大小写、正斜 ： 体、上下角标及易混淆的字母应标注清楚；数字超过４位时，每隔３位空四分之一格；量与单位间 空四分之一格。 ５．名词术语必须规范化标准化，所写字母在第一次出现时应给出中英文全称。 １＝Ｉ ６．参考文献著录，格式要求完整、规范。 ：Ｊ 论文要求在文后著录参考文献，并在文中引用处以“右上角”的形式按顺序标注。 《参考文献规范》所列的文献类型标识码为： 图书Ｍ，期刊Ｊ，会议录／论文集ｃ，汇编Ｇ，报纸Ｎ，学位论文Ｄ，报告Ｒ，标准ｓ，专利Ｐ， 数据库ＤＢ，计算机程序ｃＰ，电子公告ＥＢ，联机网络ＯＬ。 ７．来稿一经刊登，将酌付稿酬，并赠当期样刊一份。 ８．来稿著作权属作者，但版权（含各种介质、媒体的版权）转让给编辑部，版权使用费在奉寄稿一 ．酬时一次性支付。请勿一稿多投和抄袭，否则责任自负。来稿请注意保守国家秘密，并出具保密 审查表。 来稿请注明作者详细通讯地址及联系电话。 编辑部通讯地址：河南省郑州市郑东新区博学路１０００号《电光系统》编辑部。 邮政编码：４５００４７ 联系电话：０３７ｌ一６１２７０５８７ 传真：０３７ｌ一６１２７０２０３ ＬＪ Ｅ—ｍａｉｌ：ＤＧＸＴ１９８２＠１６３．ｃｏｎ ｌ １
