基于PCI總線模塊的多通道串行數據采集系統設計

目前市面上有多種數據采集卡，但其應用都具有一定的局限性，不可能完全滿足用戶的需求。本文介紹的數據采集卡可應用于某視頻圖像采集系統中，數據源發送多路同步串行數據，然后經過數據采集卡傳入上位機用以進行后續分析。上位機向外寫控制字并轉換后以異步串行方式輸出。用以控制視頻圖像的采集。本系統將PCI接口邏輯和其他用戶邏輯集成于一片FPGA中，因而大大節省了資源，便于進行串口擴展及其他功能的添加，性能良好，用途廣泛。

1 PCI總線

PCI總線是一種高性能的局部總線，具有32位可升級到64位的、獨立于CPU的總線結構。工作頻率為33/66 MHz，最高傳送速度可達132 MB/s(32位、33 MHz)或528 MB/s(64位、66 MHz)。

PCI總線定義了Memory(存儲器)空間、I/O(輸入/輸出)空間和配置空間3種地址空間，并具有兩種工作模式：其中主模式下的PCI設備具有總線控制權，可以實現DMA傳輸;而被主設備控制進行通信的稱為從模式(TARGET)。

1.1 PCI總線的配置空間

所有的PCI設備都必須實現配置空間，該空間分為首部區和設備有關區。首部區中的強制性寄存器有：供應商代碼(Vendor ID)寄存器用于標明設備制造商)，設備代碼(Device ID)寄存器(用于指明特定的設備，它由供應商分配)，版本識別(Revision ID)寄存器，首部類型(He-ader Type)寄存器和類別寄存器(Class Code)。以上五個寄存器均可用于PCI總線上設備的識別。另外，首部區中還有兩種必須實現的寄存器：其中命令寄存器用于存放PCI命令，而設備狀態寄存器則用于記錄PCI的狀態信息。

操作系統在啟動時應判斷系統中有多少存儲器、以及I/O設備需要多少地址空間，然后建立統一的地址映射關系，這時的PCI設備需要用到基地址寄存器。另外，若要實現中斷，還必須設置中斷引腳(Interrupt Pin)寄存器和中斷線(Interrupt Line)寄存器。

1.2 PCI總線的中斷機制

PCI總線的硬件中斷方式分為邊沿觸發和電平觸發，PCI設備為低電平觸發(level-sensitive)。PCI總線上有4條中斷請求信號線：INTA #、INTB#、INTC#、INTD#，中斷引腳寄存器的值01H～04H分別對應4條中斷線，單功能PCI設備只能使用INTA#。此外，使用了中斷引腳的設備還必須實現中斷線寄存器。POST例程(加電自檢測程序)在進行系統初始化和配置時還要將中斷線信息寫入該寄存器。PCI總線中斷是可以共享的，這一方面解決了中斷資源緊張的問題，但另一方面也會給PCI中斷的實現帶來麻煩。

2 系統硬件實現

2.1 PCI配置寄存器的設置

Altera公司的PCI編譯器(PCI Compiler)提供有使用Altera器件實現PCI接口設計的完全解決方案。其中包括4種PCI接口兆核函數(PCI IP)及相關測試平臺。

通過PCI編譯器的IP工具臺或直接編輯生成的兆核函數頭文件可以設置并修改PCI的配置空間信息，本系統的主要配置信息如下：