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ARM922T核ZCP320A處理器PCI總線操作
摘要：本文簡要說明了ZCP320A處理器內部集成的PCI總線接口、編程模式及工作模式，并介紹了作為主設備時如何訪問外部擴展的RTL8139 PCI網卡設備。為以后的設計者提供借鑒及應用基礎。關鍵詞：ARM922T ZCP320A PCI總線 RTL8139
ZCP320A采用了ARM公司的ARM922T核，ARM922T是ARM9TDMI通用處理器家族中的一員采用哈佛結構內部使用5級流水線支持32位的ARM指令系統(tǒng)和16位的Thumb指令系統(tǒng)包括兩個相互獨立的8KB 的數據和指令高速緩存，高速緩存行的長度是8個字。ARM922T 實現增強型ARM結構v4MMU以提供對指令和數據地址的轉換和訪問許可檢測。ARM922T 支持ARM調試結構協(xié)處理器以及Tracking ICE。
ZCP320A內部使用三條AHB總線連接實現功能所需的主從設備。每條AHB總線連接一個主設備和多個從設備。根據總線連接的主設備的不同，三條總線分別被命名為COREBUS（ARM9 核作為該總線的主設備）、PBUS（PCI橋作為該總線的主設備）和DBUS（DMA控制器作為該總線的主設備）。這三條總線由總線管理模塊統(tǒng)一進行管理。
ZCP320A集成的PCI總線接口是一個符合PCI協(xié)議2.2的總線接口。由于ZCP320A的內部總線是符合AMBA AHB協(xié)議的總線，所以在ZCP320A中設計了一個AHB-PCI的橋來實現AMBA AHB協(xié)議到PCI協(xié)議的轉換。PCI總線通過AHB-PCI橋連接到內部AHB總線。
1 PCI總線接口概述
在ZCP320A中設計了一個AHB-PCI的橋來實現AMBA AHB協(xié)議到PCI協(xié)議的轉換。PCI總線通過AHB-PCI橋連接到內部AHB總線。如圖1所示。
(范文先生網www.panasonaic.com收集整理)
AHB-PCI 橋是實現AHB總線和PCI總線的協(xié)議轉換，實現AHB總線和PCI 總線之間數據交換的一個設備，AHB-PCI橋是32位的，即AHB總線和PCI總線都是32位的地址/數據總線。在CPU內部橋和兩條內部總線相連接，COREBUS 和PBUS。這兩條內部總線都符合AMBA AHB總線協(xié)議。在COREBUS上，ARM CORE 作為該總線的唯一主設備，橋則作為該總線的一個從設備。在PBUS上，橋作為該總線的唯一主設備，PCI緩沖及存儲器則作為其從設備。在CPU外部，橋則和PCI總線相連接。通過COREBUS， ARM CORE訪問橋及穿過橋訪問外部的PCI設備。外部的PCI設備則通過PCI總線訪問該橋并穿過橋到PBUS上訪問CPU的內部存儲器等資源。橋為PCI總線和內部ARM CORE及內部存儲器的通信提供了數據緩沖。ARM CORE寫數據緩沖由兩個FIFO組成，每個FIFO可容納32字節(jié)的數據和4 字節(jié)的地址。ARM CORE讀數據緩沖由一個FIFO組成，該FIFO可容納32字節(jié)的數據和4字節(jié)的地址。在另一側PCI寫數據緩沖由兩個FIFO組成，每個FIFO可容納32字節(jié)的數據和4字節(jié)的地址。PCI讀數據緩沖由一個FIFO組成，此FIFO也可容納32字節(jié)的數據和4字節(jié)的地址。當有大量數據需要進行傳輸的時候，橋上提供了DMA控制器供使用，可以大大提高數據通信效率。該DMA 控制器具有一個32字節(jié)的接收FIFO和一個32字節(jié)的發(fā)送FIFO。因此DMA在傳輸數據的時候可以實現乒乓效應，也就是說在接收的同時發(fā)送數據。
通過AHB-PCI橋，內部的ARM核可以對外部PCI設備進行訪問；同時，外部的PCI設備也可以對內部的CPU資源進行訪問。當AHB-PCI橋作為COREBUS上的從設備的時候，它從COREBUS上接收ARM發(fā)出讀/寫命令，然后在PCI總線上發(fā)起相應的傳輸，也就是說此時橋作為PCI的主設備。當外部PCI設備對AHB-PCI橋進行訪問的時候，橋作為PCI從設備接收PCI 總線上的命令，同時作為AHB主設備在PBUS上發(fā)起相應的操作以達到訪問CPU資源的目的。這就是CPU訪問外部設備和外部設備訪問CPU資源的兩條路徑。
ZCP320A的PCI橋在PCI總線仲裁方面，可以用外部的仲裁器，也可以用橋本身提供的仲裁器。設計人員可以根據需要選擇用外部的仲裁器，還是用ZCP320A的PCI橋上的仲裁器。這個選擇通過配置PCI混合控制寄存器PCI_MISC_CTL（偏移地址是0x100）的位12。如果使用外部仲裁器則將該位配置為1，而如果使用橋內部的仲裁器則將該位配置為0。橋上的PCI 仲裁器最多支持6個PCI主設備（包括ZCP320A本身）。其仲裁算法為分組輪循的優(yōu)先算法。
ZCP320A提供了地址轉換功能和地址空間范圍定義功能。地址轉換包括兩個方向，一是從ARM CORE到外部PCI空間的地址轉換；二是從PCI空間到PBUS空間的轉換。地址轉換和地址空間范圍都是通過一個稱為地址窗口的機制來實現的。在從ARM CORE到外部PCI空間的方向定義了4個窗口，即窗口0/1/2/3，每個窗口由兩個寄存器來定義，窗口基地址寄存器（CBUS_BST0/1/2/3）和窗口控制寄存器（CBUS_TI0/1/2/3_CTL）。在窗口基地址寄存器中定義了該窗口在COREBUS上的基地址及該窗口的屬性（存儲器或I/O空間是否可預取，是否可對32位的任一字節(jié)進行訪問），而在窗口控制寄存
器中則定義了該窗口轉換到PCI空間后的基地址，該窗口的大小及窗口使能控制和地址轉換使能控制。在從PCI 空間到PBUS空間的方向也定義了4個窗口，PCI寄存器窗口和PCI從設備窗口0/1/2。其中PCI寄存器窗口由一個寄存器（PCI_BSREG）來控制該窗口在PCI總線空間的基地址及窗口屬性，而PCI 從設備窗口0/1/2則由兩個寄存器來定義，即窗口基地址寄存器（PCI_BST0/1/2）和窗口控制寄存器（PCI_TI0/1/2）。在窗口基地址寄存器中定義了該窗口在PCI總線上的基地址及窗口屬性（存儲器或I/O空間是否可預取，是否可對32位的任一字節(jié)進行訪問），而在窗口控制寄存器中則定義了該窗口轉換到PBUS空間后的基地址及該窗口的大小窗口使能控制和地址轉換使能控制。
2 PCI總線編程模式
PCI橋上的寄存器占了4K的空間，從偏移地址0x000到0xfff。其中0x000到0x0ff是PCI協(xié)議中的標準PCI配置寄存器。這部分的寄存器可以從COREBUS和PCI 總線上進行訪問，在COREBUS上訪問的時候是當作存儲器訪問，而在PCI總線上則只能通過配置訪問來進行。
偏移地址從0x100到0x1ff是擴展的PCI寄存器，用來定義橋作為PCI從設備時的窗口以及一些其它的控制。其中0x120是鎖寄存器，用來控制寄存器區(qū)的寫訪問。
偏移地址從0x200到0x2ff是COREBUS控制寄存器，用來控制COREBUS上的窗口和地址屬性。即橋作為PCI主設備時使用該組寄存器。
偏移地址從0x300到0x3ff是錯誤檢測和處理寄存器。這部分的寄存器是對橋的錯誤進行控制，對錯誤的狀態(tài)進行檢測并報告。
偏移地址從0x400到0x4ff是DMA控制器部分寄存器。這部分的寄存器是DMA的專用命令寄存器，用來控制和管理橋上的DMA的工作。
另外還有兩個配置寄存器0xcf8配置地址寄存器和0xcfc配置數據寄存器。ARM CORE在COREBUS上通過對這兩個寄存器的操作實現對外部的PCI設備的配置操作。
PCI寄存器區(qū)在COREBUS總線上的基地址是0xe0000000 ，而在PCI總線上的基地址是可配置的，在PCI_BSREG寄存器中配置。
橋上的寄存器既可以由ARM核在COREBUS上訪問，也可以由外部的PCI主設備通過PCI總線訪問。寄存器區(qū)有一個鎖的機制，用來保護寄存器。鎖可以保證在同一時間只有一個設備可以對寄存器區(qū)的值進行修改。當ARM CORE通過COREBUS來訪問橋上的寄存器或外部PCI設備通過PCI總線訪問橋上的寄存器的時候，必須先對寄存器進行鎖定成功以后才能對寄存器進行寫操作，而讀操作則沒有這個限制。鎖機制的實現是通過鎖寄存器REG_LOCK 來實現的。鎖定的具體方法是：對鎖寄存器偏移地址0x120寫入0x1，然后通過讀該寄存器來查看加鎖是否已經成功。如果讀得的該寄存器的值是0x1，則說明已經鎖定了橋上的寄存器區(qū)，對寄存器的配置就可以進行了。而如果讀得的結果是0x0的話，說明鎖定失敗。對于寄存器讀操作來說，沒有加鎖的限制。因為讀操作不改變寄存器的值。當對寄存器配置結束后必須消除對寄存器區(qū)的鎖定，這樣其它的設備才可以對寄存器進行配置。具體方法是對鎖寄存器0x120寫0x0。
3 PCI主設備工作模式
由于ZCP320A處理器帶有PCI總線接口，所以我們設計一般是處理器上集成的PCI橋作為主設備，而外部擴展的PCI設備則作為從設備。下面以外擴的以太網卡RTL8139為例說明如何操作RTL8139中的寄存器。
在輸出通道中，AHB-PCI橋作為COREBUS的從設備，同時作為PCI總線的主設備。它從COREBUS上接收命令，然后在PCI總線上發(fā)起相應的傳輸。圖2描述了就是橋作為PCI 主設備時的內部結構。
3.1 初始化PCI橋
下面例程都是基于C語言，其中
#define REG_READ(addr,offset,data) \par*data = (*(volatile UINT32*)((addr)+(offset)))
#define REG_WRITE(addr,offset,data) \par (*(volatile UINT32*)((addr)+(offset))) = data
（1）鎖寄存器并判斷是否鎖成功
REG_WRITE(0xe0000000,0x120,1);
REG_ READ (0xe0000000,0x120,&data);
if(!(data & 0x1)) return;
（2）配置COREBUS窗口基地址寄存器和控制寄存器
在COREBUS 上的地址空間分配與在PCI總線上的地址
空間分配是獨立的。PCI的數據空間在COREBUS上所占的范圍是1G+512M到2G-1之間，地址范圍是0x60000000到0x7fffffff 這里的基地址是固定的，為0x60000000。而地址范圍可以根據實際情況來確定，通過相關的控制寄存器實現。同時，ZCP320A要訪問的PCI設備的地址空間是不確定的，可能是所有的32位的地址空間的任意一段或幾段，所以需要一個地址轉換機制來實現地址空間從COREBUS到PCI總線之間的轉換。
對于RTL8139，窗口基地址寄存器和控制寄存器配置如下：
REG_WRITE(0xe0000000,0x204,0x60000008);
/*windows 0,BaseAddr 0x60000000,CoreBus,Prefech */
REG_WRITE(0xe0000000,0x214,0x10000043);
/* PCI Bus RTL8139 BaseAddr: 0x100000000~0x1000ffff,大小為64K */
REG_WRITE(0xe0000000,0x208,0x00000000);./* Disable windows 1 */
REG_WRITE(0xe0000000,0x20C,0x00000000); /* Disable windows 2 */
REG_WRITE(0xe0000000,0x210,0x00000000); /* Disable windows 3 */
（3）使能PCI橋作為主設備
REG_WRITE(0xe0000000,0x04,0x06); /* Enable PCI Master */
3.2 配置RTL8139網卡的PCI配置空間寄存器
對于ARM核來說，通過AHB-PCI橋對外部PCI設備進行配置訪問實際上是通過對配置地址寄存器（0xcf8）和配置數據寄存器（0xcfc）的訪問來實現的，要對外部PCI設備進行配置訪問。軟件設計人員要執(zhí)行以下兩步：
第一步是將地址寫入配置地址寄存器中，如圖3所示；
第二步是對配置數據寄存器進行讀或寫。
配置地址寄存器的位31是配置使能位。在進行配置操作時必須將該位設置為1。30-24位是保留位；23-16位是總線號，直接連接在ZCP320A的PC 接口的總線為0號總線。15-11位是設備號，它主要取決于硬件信號IDSEL連接到哪個地址線（AD16－AD31）上，AD16－AD31分別表示設備號0－15。10-8位是功能號，對于單功能設備，其值為0。7-2是外部PCI設備的PCI配置空間寄存器偏移量。
要訪問RTL8139，需要對其PCI配置空間寄存器作如下配置：
REG_WRITE(0xe0000000,0xcf8,0x80001814); /* Access 8139 BAR0 */
REG_WRITE(0xe0000000,0xcfc, 0x10000000); /* Set BAR0=0x100000000 */
REG_WRITE(0xe0000000,0xcf8,0x80001804);
/* Access 8139 Command and Status Register */
REG_WRITE(0xe0000000,0xcfc, 0x02000147);
/* Enable Bus Master and Memory , IO Access */
/* 下面是讀取8139的VID和DID */
REG_WRITE(0xe0000000,0xcf8,0x80001800);
/* Access 8139 VID and DID Register */
REG_READ(0xe0000000,0xcfc, &VIDDID);
由此，我們可以利用已知的VID和DID來查找PCI總線是否存在該設備。由于8139的INTA直接連接到ZCP320A處理器的外部中斷1引腳，所以不需要對配置空間的0x3c進行寫操作。從此以后我們可以利用0x10000000作為RTL8139的基地址來訪問RTL8139的寄存器。如訪問偏移地址0x0000～0x0005來讀取8139的MAC地址，即
for(i=0;i<6;i++)
mac[i] = *(UCHAR *)(0x10000000 + i);
接下來我們就可以編寫RTL8139的驅動程序了，在此就論述了。
3.3 訪問外部PCI設備需要注意的事項
ZCP320A要通過PCI橋對外部的PCI設備進行配置訪問需要執(zhí)行的步驟如下：
（1） 在硬件上要保證連接正確，主要有所要配置的從設備的IDSEL連接到哪一根地址線上，也就是它的設備號是多少。
（2）對PCI配置地址寄存器（0xcf8）進行正確配置，使它和硬件連接一致，主要指總線號和設備號。
（3）對PCI配置數據寄存器（0xcfc）進行讀/寫訪問，從而實現對外部PCI設備的配置訪問。
另外要注意的是由于作配置訪問的時候要對配置地址和數據寄存器進行訪問，而這兩個寄存器屬于橋上的寄存器區(qū)，所以要先對寄存器區(qū)進行鎖定，然后才能進行配置寫操作。
4 PCI從設備工作模式
在AHB-PCI 橋的輸入通道，橋作為PCI總線的從設備同時作為AHB PBUS 的主設備，外部擴展的PCI設備則為主設備。橋從PCI總線上接收傳輸命令并在PBUS上發(fā)起相應的操作訪問CPU的資源并反饋回去，通過FIFO將數據在PCI總線和PBUS之間傳輸實現兩種總線協(xié)議的轉換。
PBUS和PCI總線是PCI橋作為PCI從設備同時作為PBUS上的AHB主設備時的兩條連接總線，這兩條總線相互獨立又通過PCI橋聯(lián)系起來。
如圖4所示。
外部PCI主設備可以通過AHB-PCI橋來訪問PBUS上的SDRAM、FLASH以及PCI數據緩沖區(qū)A、B等。
至于PCI作為從設備，一般比較少用。所以在此不再介紹。
5 結束語
ZCP320A內部集成的PCI總線接口，大大簡化了系統(tǒng)設計。可以無縫擴展PCI設備，例如網卡、顯卡等。訪問外部擴展的PCI設備只需按照上述說明即可。
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