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vPCI在嵌入式系統的應用
 

【作者: 誠君】   2007年04月04日 星期三

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不容置疑,90年代是PCI匯流排的天下,從機器人到路由器,從印表機到交換機,它無所不在。PCI在嵌入系統中所占的比例如此之大,以致孕育出了一系列PCI通訊協定控制器,例如:PCI的FDDI、ATM、乙太網路和符號環(Token Ring)的IC元件。此外,還有PCI-ISA、PCI-Raceway和PCI-VME等匯流排橋接晶片。無論是基於匯流排,還是基於通訊協定,都可將PCI連接到不同的通道上。通常,PCI分段(Segment)可跨越LAN、串列(Serial)匯流排和背板(Backplane)進行連接,在這些數據鏈的兩端,通常有一個矽元件將協定轉換為PCI(圖一);因此,多個PCI匯流排分段能藉由這些路徑有效地連接在一起,在一個匯流排分段上的元件可以尋址找到另一個分段上的PCI目標(VME、乙太網路和Raceway),如此可滿足不同程度的需要。


Pentium、PowerPC和Alpha單板電腦(Single-Board Computer;SBC)都在不同程度上應用這種方法。不管是ATM、CANbus,還是PCMCIA,PMC卡總是插在其它的CPU卡或PMC載體板上。藉由本地PCI匯流排,CPU可以在VME匯流排與載體板上的PCI匯流排之間進行數據交換,從而可以利用PMC卡上的資源(圖二)。


藉由這種處理,CPU可尋訪問任一基於PCI的資源。VME是連接多個PCI匯流排分段的方法之一;還可以應用Raceway、Ethernet和其它的通訊連接方法,這些只需更改訪問鏈路的驅動程式。


《圖一》
《圖一》

PCI鏈路的侷限性

這種拓樸結構有一個基本問題:應用PCI的一個主要理由就是這種拓樸結構已不能再提供標準的軟體(驅動程式)。為了讓CPU尋訪PMC卡(圖二),首先要確定PMC卡在系統中是否存在,配置PCI-VME橋並映射到它的記憶體空間上,然後才能對卡進行配置。藉助於BIOS隨插即用(PnP)特性,每一個PCI元件都應該能被BIOS識別,並根據標準PCI的規則和驅動程式(Driver)進行配置;BIOS設置PCI資源的方式是藉由各種基於PCI的驅動程式,通常可使OS直接訪問這些資源。不過,在VME系統中,OS卻不得不藉由一個VME驅動程式來進行作業。因此,利用這種結構在PC上開發嵌入應用,因沒有標準軟體協助,所以開發好的程式碼可能無法立即載入(移植)到真實系統中。


藉由其它PCI匯流排,將各個PCI匯流排分段以PCI-PCI橋的形式連接在一起,標準PCI系統可以解決上述侷限性。各種BIOS和OS的探測、識別及配置工具都能識別標準的PCI-PCI橋,因此可以連通每個匯流排分段。系統上的所有元件,不管它在任何匯流排分段上,都可像在本地PCI匯流排上一樣映射到系統儲存空間上。因此,使用遠端或本地PCI元件的驅動程式時,不需大費周章。


CompactPCI的主要吸引力是在整個系統中利用標準軟體的能力。各種基於PCI的元件和CompactPCI板都在PC環境下進行處理;此外,你可以利用該環境下工具的優勢,在PC上開發嵌入應用,然後與CompactPCI環境實現無縫的連接。


在開發嵌入系統方面,VME仍保持一種可變化、功能強大的開發環境,其良好的性能和數十億美元的投資,足以保證各種功能板、軟體的大量供應。至今,VME已有長達16年的歷史,已經成為設計和測試標準的「憲法」,尤其是對於嵌入環境。熱轉換(Hot Swap)方案仍在一些電信環境中應用,VSO(VITA Standards Organization)正在進行努力將所得到的東西融入標準中;VME的中斷驅動和分佈結構使之具有功能強大的多任務處理和即時應用。其中最顯著的一個優點是,沒有任何等待時間和橋接段之間的性能干擾,VME就能在21槽的系統下工作。為保証安全應用,PCI的4個插槽限制(CompactPCI是8個插槽)要求在背板上具有大量的I/O。


vPCI的優點

vPCI集VME和PCI技術的優點於一身,使21槽的PCI系統與目前的VME系統相容,並以320MBps的數據速率運行。可使用VME作為背板(包括320MBps的協定)的標準將各種VME板連接在一起;然而,採用特殊的VME介面,在基於PCI的OS中將VME隱藏起來,那麼就能使背板看起來像PCI一樣。


考慮一塊基於PCI的VME板(圖二):具有vPCI功能的PCI-VME橋接IC與常規的PCI橋具有相同的實體連接。在PCI上,它控制FRAME#、IRDY#、TRDY#、STOP#等信號;在VME上,它控制AS*、DS0/1*、IACK*等信號。然而,CPU無須識別PCI-VME橋另一面VME匯流排的存在,你無須建立各種各樣的地址空間和數據寬度,也無須啟動(Enable)各種IRQ*線、或控制SYSFAIL*、ACFAIL*等,PCI-VME橋僅簡單地識別它自己作為PCI匯流排上的一個PCI-PCI橋。具有vPCI能力的PCI-VME橋(PCI-vPCI橋)採用不同的PCI周期類型,並把它們映射到特定的VME周期。在目標VME卡上,PCI-vPCI橋將特定的VME周期轉換回對應的PCI周期。


《圖二》
《圖二》

相容問題

vPCI的概念非常簡單:就是在VME匯流排上運行的PCI協定。然而,為了讓系統工作,就需要考慮一些具體的細節問題,定義這些細節問題是VSO的工作。不過,我們可以看看PCI配置周期是如何處理的,就能明白vPCI是怎樣工作的。PCI配置周期有兩種不同類型:Type 0和Type 1。Type 1周期專為藉由PCI-PCI的遷移(Migration)而設置,Type 0為本地PCI匯流排上的PCI物件而設置。如果目標匯流排在PCI-PCI橋的另一面,Type 1就變換成PCI-PCI橋另一面的Type 0。


Type 0:

為了複製Type 0周期的作業,選擇VME CR/CSR周期,並用其A24位元地址的高5位元來指示槽位元。PCI採用對每個元件都不同的專用信號IDSEL#在配置周期中選擇元件。vPCI利用地理尋址(Geographic Addressing)來模仿(Mimic)這種作業,每一個vPCI元件通電(Power Up)時,啟動它地理位址上的CR/CSR尋址範圍。在尋址範圍內,vPCI元件要移位與PCI特性相對應的一組暫存器,不僅包括DEVICE ID和manufacture ID標誌暫存器,還有基址定義和中斷控制功能等,vPCI元件將模仿所有這些暫存器的作業。


Type 1:

Type 1周期與其它的PCI、記憶體和I/O周期的處理方式不同。最近定義了兩種新的VME協定:2eVME,工作速率可達160MBps;2eSST,工作速率可達320MBps,但需要對背板進行升級。每一種協定都有一組與之有關的XAM碼,但在256個可用的XAM碼中只定義了4個。vPCI規範建議採用一些XAM碼用於Type 1、記憶體和I/O周期,為了發揮系統的最大性能,每一個PCI周期類型可以是2eVME或2eSTT。


VME的主要優點是豐富的中斷資源、有效的多任務處理和即時作業。遺憾的是,PCI缺乏這些優點。PCI只有4條中斷線,它們必須導入到CPU內一個中斷控制器。與VME的7條中斷線和分佈處理機制相比,PCI系統的中斷特性能很容易映射到VME上,可是卻浪費了VME的資源。困難在於,一方面要保持豐富的VME環境,一方面又要與PCI連接。一種方案就是採用PCI-vPCI橋承擔本地PCI匯流排的中斷控制器作用,通常是由ISA橋實現的。這種複雜的PCI-vPCI橋雖可充分利用VME中斷,代價卻是可能與一些Pentium平台不完全相容。


另一個問題是處理與現有VME系統的相容問題,為了解決這一問題,需要把PCI-vPCI橋變成一個多功能PCI元件。Function 0可以作為「PCI-PCI」橋,尋訪系統中所有具有vPCI能力的 VME板;而Function 1可作為傳統的PCI-VME橋(圖一),尋訪系統中其它的VME板。因此,一個元件就可提供兩個虛擬埠,一個到PCI系統匯流排,另一個到VME系統匯流排,這兩種系統匯流排實際上是同一個實體單元,但軟體將有兩種。


結語

最初,在電信系統上只有少數關鍵的介面卡出現在PCI分段上,其餘的都在VME分段上。隨著時間的推移,系統上每一塊介面卡升級時,它就從VME分段上消失,而在PCI段上出現。vPCI不僅僅是VME的一個擴展,用於嵌入式系統整合上,它也滿足了嵌入系統的需要,尤其是需要高性能和許多I/O的電信和數據通訊應用。在單一的匯流排分段上,vPCI可提供21個插槽的PCI連接,速率達320MBps,同時又具有即時和多任務處理功能,所以非常適合電信系統的開發,例如:GSM、WCDMA等交換機、家庭閘道器....等。


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