一種8路串口轉換PCI總線的設計方案

1 引言

隨著Internet的發(fā)展，越來越多的計算機或設備通過串口通信方式接入網絡，實現信息共享和設備的集中控制和管理。多端口擴展已成為通信設備接入的重要環(huán)節(jié)。利用串口進行通信具有結構簡單，線路成本低的優(yōu)點，廣泛應用于各個領域。而PCI總線，即外圍器件互連總線，是目前應用最廣泛、最流行的一種高速同步總線。由于大部分I/O設備是沒有PCI總線功能的，開發(fā)多端口通用串口和PCI總線的接口卡也就成為技術發(fā)展的必然要求。本系統(tǒng)采用專用芯片XR17D158開發(fā)了基于PCI總線的8路RS-232高速串行通訊卡,為通信設備提供額外的高性能串行接口，適用于連接各類串行設備。

2系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件主要包括主芯片XR17D158、8路UART接口和串行配置寄存器EEPROM。2.1 XR17D158模塊介紹

在很多通信系統(tǒng)中，對信號傳輸的帶寬和速度有很很高的要求，而PCI總線非常適合將高速信號經接口芯片和主機橋接在一起。本文采用Exar公司推出的一種兼容3.3V和5V的PCI總線UART芯片XR17D158, 它具有PCI接口和UART結構，滿足PCI2.3規(guī)范，工作頻率為33MHz，32位的數據總線可以充分利用CPU帶寬，傳送/接收更多數據，支持8個通道UART轉換PCI，減少系統(tǒng)開銷、節(jié)約了電路板空間。為下載CPU的處理信息，每一個通道都擁有帶可編程觸發(fā)電平的64字節(jié)發(fā)送/接收緩沖FIFO，可分別以高達921.6kbps的速率對波特率進行編程。

500)this.style.width=500;" border=0>

2.2 XR17D158寄存器配置

XR17D158具有三組不同的寄存器。

(1)PCI局部總線配置空間寄存器 PCI插卡插入系統(tǒng)后，系統(tǒng)BIOS將根據讀到的插卡信息并結合系統(tǒng)情況為插卡分配存儲地址、端口地址和中斷等信息，實現即插即用的自動配置，從而免除了人工操作，這些信息都保存在外接的EEPROM中，在上電時XR17D158會檢測EEPROM是否有效，系統(tǒng)以此來標識PCI卡；

(2)設備配置寄存器 提供從PCI數據總線向每一UART通道的接收/發(fā)送數據FIFO緩沖存儲器的傳輸方式，它提供了對UART傳輸和各種功能狀態(tài)的監(jiān)控。寄存器占用4k PCI總線存儲器地址空間。這些地址由基址加上偏移量得到，偏移量保存在PCI局部總線配置寄存器的BAR寄存器0x10[31:12]。這些寄存器控制或監(jiān)控所有8通道UART的功能狀態(tài)信息，包括中斷控制和狀態(tài)，16位通用定時器控制和狀態(tài)，多用途輸入/輸出控制和狀態(tài)，休眠模式控制，軟復位控制以及設備標識和版本號信息等等；

(3)UART[7:0]配置寄存器 每路UART通道都有內部UART配置寄存器作為串行數據傳輸控制和狀態(tài)信息指示，所有8組通道寄存器嵌入設備配置寄存器空間，其寄存器配置偏移地址為：UART[M]＝0x00N00，其中M表示通道序號，N＝2×M。

XR17D158有8路UART[7:0]，每路通道都有深度為64的發(fā)送/接收緩沖FIFO，符合16550規(guī)范的控制/狀態(tài)寄存器以及為每路UART通道提供發(fā)送/接收時鐘的波特率發(fā)生器。

每路通道都有單獨的具有預分頻的可編程波特率發(fā)生器（BRG），用以獲得16X或8X的串口數據接收/發(fā)送的采樣時鐘。預分頻系數可由軟件在MCR寄存器中設置，MCR[7]＝0，預分頻系數為1；MCR[7]＝1，預分頻系數為4。經過預分頻得到的時鐘還要經過內置的分頻器分頻，以獲得所需要的發(fā)送/接收時鐘信號，其中分頻器的分頻系數由每路UART通道的DLM和DLL寄存器編程得到，波特率由下面公式計算得到：

500)this.style.width=500;" border=0>

假設外部輸入時鐘為14.7456MHz，通過相應的寄存器設置，使RS－232通道得到最大波特率921.1kps。編程過程如下：

（1）使能DLM，DLL寄存器 寫入0x80到相應UART通道的LCR寄存器；

（2）分頻系數確定 設置DLM＝00，DLL＝01；

（3）設定預分頻系數相關寄存器MCR

a.使能MCR[7:5] 設置UART通道EFR寄存器EFR[4]＝1；

b.預分頻系數的設定 設置MCR[7]＝0；

c.鎖存MCR寄存器設置 設置EFR[4]＝0；

2.3 8路UART和XR17D158接口設計

由于RS－232的TTL電平與芯片的CMOS電平不兼容，所以兩者之間需要加電平轉換電路。本系統(tǒng)采用TI公司的MAX3238芯片實現電平轉換及串口通信功能；兼容5V邏輯輸入，內含3路接收、5路發(fā)送串行通信接口，最大數據傳輸速率可達250Kbps。具有低功耗、高數據速率、增強型ESD保護等特性。

XR17D158的UART接口就像一個8位的輸入和輸出端口，它可以從發(fā)送緩沖FIFO或者接收緩沖FIFO中讀寫數據。當主機有數據要發(fā)送時，它只需將數據按字節(jié)格式（8位寬）發(fā)送到UART即可。當UART接收到來自外部串行設備的數據時，會把數據緩存在其FIFO中（同樣是8位寬），然后通過一個內部寄存器位或硬件中斷信號向主機指示該數據已可以使用。另外，XR17D158的UART接口還具有完整的調制解調控制功能，包括：容許發(fā)送（CTS）；請求發(fā)送（RTS）；數據設備準備好（DSR）；數據終端準備好（DTR）；振鈴指示（RI）；載波檢測（DCD）。本文只給出了一路UART和主芯片接口，其他幾路類似。

500)this.style.width=500;" border=0>

2.4 UART接口工作過程

發(fā)送數據過程 有效數據（64位）由主機寫入接口中的輸入緩沖FIFO寄存器，當發(fā)送保持寄存器（THR）清空標志位ISR[1]＝1，表示發(fā)送緩沖FIFO中的數據減少到滿足設定的觸發(fā)中斷條件而引起中斷，在輸出移位寄存器（TSR）中，由發(fā)送控制邏輯在待發(fā)送數據加上起始位、奇偶校驗位和停止位，并按設定的時鐘頻率逐位移出數據。

接收數據過程 接收移位寄存器（RSR）使用16×或8×時鐘作為定時器，當檢測到起始位下降沿時，將計數器清零，并開始采用時鐘計數，當計數器計到8或4時，表示已到達起始位的中間位置，此時采樣值仍為0，說明是真正的起始位，余下的數據位和停止位隨后也被采樣。如果停止位采樣正確（采樣值為1），則字符被接收，并裝入接收保持寄存器（RHR），如果接收到的數據未達到設定的FIFO觸發(fā)條件，RHR產生以接收數據準備好中斷（ISR[2]＝1），同時流向控制信號RTS# / DTR#繼續(xù)保持有效，允許UART接口繼續(xù)接收外部串行數據。

PCI總線接收/發(fā)送數據

XR17D158支持在映射的存儲器地址進行PCI突發(fā)模式讀/寫，接收緩沖FIFO和發(fā)送緩沖FIFO可以對這些獨立的存儲器進行讀/寫，這些存儲器地址可以通過計算得到：M=2N+1，其中N為UART通道序號。

主機利用PCI總線從XR17D158的接收緩沖FIFO讀取數據一般有兩種方式：查詢方式和中斷方式。無論采取哪種方式，在讀取緩沖FIFO數據之前必須先讀取設備的配置寄存器中設備ID寄存器（DVID），得到確認之后帶有狀態(tài)的FIFO寄存器中的數據才能被讀取。如果在這過程中，還有其他UART通道寄存器數據需要被讀取，必須重復讀取設備ID寄存器（DVID），確認UART通道類型，再進行其他操作。這兩種實現方式編程步驟如下：

(1)查詢方式

a.讀取線路狀態(tài)寄存器（LSR）

b.讀取設備號（DVID）

c.讀取帶有狀態(tài)信息的FIFO數據

(2)中斷實現方式

a.讀取全局中斷寄存器INT0（地址0x080）

b.讀取INT1,INT2,INT3寄存器用以確定中斷通道（地址0x081－0x083）

c.讀取設備號（DVID）

d.讀取帶有狀態(tài)信息的接收FIFO數據

特別注意的是，當主機讀取接收到的帶有線路狀態(tài)寄存器（LSR）信息的數據時，主機必須以16位或32字節(jié)的形式讀取數據，這樣做的目的是為了保證帶有差錯標記的數據的完整性。

3 驅動程序設計

基于Windows NT串口通信驅動程序設計中，應用較廣泛的有：利用MSCOMM控件進行編程；利用Windows API函數進行設計。串口通信Microsoft Communications Control（簡稱為MSComm）是Microsoft公司提供的簡化Windows下串行通信編程的ActiveX控件，它為應用程序提供了通過串行接口收發(fā)數據的簡便方法。MSComm控件通過串行端口傳輸和接收數據，為應用程序提供串行通訊功能。而用Windows API通信較為復雜，其中要涉及到對Windows內核機制的理解，但Windows API函數用于串口操作流程可以擴展到其他硬件的操作上。本設計選用Windows API函數來實現串口操作。

非標準串行驅動在I/0管理器中被注冊，以COM5,COM6,COM7……COM12來命名，對應于XR17D158的CH0,CH1,CH3,……CH7。一般不采用COM1,COM2,COM3,COM4，因為這些端口有可能被其他串口通信設備占用。根據WINDOWS NT DDK，我們可以發(fā)現，通信口在COM9以上命名的，必須以“\\.\COM10”來定義，我們在寫串口驅動程序時，首先要調用windows API函數CreateFile打開相應的串行口。下一步使用文件句柄訪問硬件設備，通信完成時用CloseHandle關閉串行口。以下是兩個關鍵成員函數，一個是打開串口函數，另外一個是簡單串口讀/寫函數。

(1)打開串口函數

PortHandle=NULL;//初始化端口

If(cPortNo=9)

ComName.Format(“COM%d”,cPortNo);

Else

ComNamel.Format(“\\.\COM%d”,cPortNo);

//如果串口序號大于9則以“\\.\COM10”來定義

If((PortHandle=CreateFile(ComName,GENERIC_READ|GENERIC_WRITE,0,0,OPEN_EXISTING,FILE_FILE_

FLAGE_OVERLAPPED,0))= =INVALD_HANDLE_VALUE //非重疊讀/寫端口

{

DWORD err=GetLastError();

Return(NULL); //端口建立失敗

}

Else

{

//端口建立成功，初始化端口，對端口進行操作

}

(2)串口讀/寫函數

//讀數據到緩沖區(qū)

ReadFile（PortHandle,(LPVOID)IpReadBuff,dwFileSize,dwBytesRead,osRead）;

//寫操作

Int bResult=WriteFile(PortHandle,(LPVOID)IpWriteBuff,dwBytesToWrite,dwBytesWritten,osWrite) //重疊IO寫操作

函數中各參數定義如下：PortHandle,為待操作串口，(LPVOID)IpReadBuff數據讀緩沖區(qū)，dwFileSize待讀字節(jié)數，dwBytesRead讀取字節(jié)數，osRead溢出緩沖區(qū)；,(LPVOID)IpWriteBuff數據寫緩沖區(qū)，dwBytesToWrite待寫字節(jié)數，dwBytesWritten已經寫入字節(jié)數，osWrite溢出緩沖區(qū)。

4 結論

本文提供了一種8口UART串口轉換PCI總線的方法，介紹了硬件的實現和驅動程序的實現。經測試該適配卡工作穩(wěn)定，性能可靠，波特率最高可達921.6kb/s，吞吐量達700kb/s，達到了預期設計目標，可廣泛應用于POS機，系統(tǒng)監(jiān)控，便攜式通訊等系統(tǒng)。

本文作者創(chuàng)新點：利用XR17D158芯片實現PCI總線和 8路串口之間的通信，該適配卡結構緊湊，通信距離可達15米，實現了PnP（即插即用）功能，驅動程序可在Windows /98/2000/ME/XP使用，最多可支持接8個設備的通訊，解決了大部分I/O設備沒有PCI總線接口的問題。