英創(chuàng)信息技術(shù)精簡ISA總線Linux編程–Part1
精簡ISA總線接口是一種8-bit寬度的雙向并行擴展總線，其特點是地址數(shù)據(jù)分時復(fù)用8-bit總線，加上4條總線控制信號，即可實現(xiàn)對外部數(shù)據(jù)的快速讀寫。若再使能一條總線時鐘信號（共13條信號），就可實現(xiàn)高達10MB/s的數(shù)據(jù)傳輸。精簡ISA總線作為英創(chuàng)主板的特色功能之一，在ESM6802、ESM7000、ESM7100、ESM335x等多款型號中均有配置。
對精簡ISA總線接口的應(yīng)用編程，將通過3個部分分別加以介紹。本文是第一部分，主要介紹ISA總線的訪問模式，以及最基本的總線數(shù)據(jù)讀寫。第二部分介紹由應(yīng)用程序啟動基于DMA的數(shù)據(jù)塊讀寫。采用DMA方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫讀寫，可有效降低CPU的負載率。第三部分介紹ISA擴展硬件觸發(fā)DMA數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ǎ摲椒ㄖ饕嫦?a target="_blank">工業(yè)控制領(lǐng)域的高速數(shù)據(jù)采集。由于采用硬件觸發(fā)的DMA傳輸機制，使得前端的高速AD單元不再采用昂貴的高速SRAM做數(shù)據(jù)緩沖，從而使采集單元的成本大幅度下降。該方法可實現(xiàn)高達5MB/s（每秒5兆字節(jié)）以上的數(shù)據(jù)采集率。
ISA總線信號定義如下：
| 信號及說明 | PIN# | 信號及說明 | |
| RESET_B，硬件復(fù)位 | 1 | 2 | ISA_ADVn，地址鎖存控制信號 |
| ISA_AD0，地址數(shù)據(jù)總線，LSB | 3 | 4 | ISA_AD4，地址數(shù)據(jù)總線 |
| ISA_AD1，地址數(shù)據(jù)總線 | 5 | 6 | ISA_AD5，地址數(shù)據(jù)總線 |
| ISA_AD2，地址數(shù)據(jù)總線 | 7 | 8 | ISA_AD6，地址數(shù)據(jù)總線 |
| ISA_AD3，地址數(shù)據(jù)總線 | 9 | 10 | ISA_AD7，地址數(shù)據(jù)總線，MSB |
| MSLn，支持多模塊掛接總線 | 11 | 12 | ISA_WEn，數(shù)據(jù)寫控制信號 |
| GPIO9，可選作為IRQ | 13 | 14 | ISA_RDn，數(shù)據(jù)讀控制信號 |
| GPIO8，可選作為IRQ | 15 | 16 | ISA_CSn，片選控制信號 |
| GPIO25，可選作為IRQ | 17 | 18 | VDD_5V0，+5V供電 |
| GPIO24 / ISA_BCLK，同步時鐘ISA_BCLK | 19 | 20 | GND，電源信號地 |
本文以下部分，將以ESM7000 Linux平臺為例，介紹具體的編程方法。
ISA總線操作模式
精簡ISA總線的寬度只有8-bit，因此它的地址尋址范圍也只有8-bit，即0x00 – 0xFF。ISA總線的驅(qū)動程序支持應(yīng)用程序使用不同的地址范圍，來區(qū)別不同的訪問類型。根據(jù)ISA地址可有如下6種類型：
| 模式 | offset | ISA總線操作 |
| 0 | 0x0000 … 0x00FF | 異步總線周期，CPU操作 |
| 1 | 0x1000 … 0x10FF | 異步總線周期，MemCpy方式DMA，固定端口地址 |
| 2 | 0x2000 … 0x20FF | 異步總線周期，外部信號觸發(fā)方式DMA，固定端口地址 |
| 3 | 0x3000 … 0x30FF | 同步總線周期，CPU操作，要求ISA端口地址16字節(jié)對齊 |
| 4 | 0x4000 … 0x40FF | 同步總線周期，MemCpy方式DMA，同步譯碼端口 |
| 5 | 0x5000 … 0x50FF | 同步總線周期，外部信號觸發(fā)方式DMA，同步譯碼端口 |
ISA總線的異步總線周期是指每個總線周期讀寫一個字節(jié)，只需用到ISA最基本的12條信號線；而同步總線周期則需要使用總線時鐘信號（共13條信號線），可實現(xiàn)一個總線周期讀寫4個字節(jié)。在《在英創(chuàng)工控主板上實現(xiàn)高速工控數(shù)據(jù)采集》一文中有對異步總線周期時序和同步總線周期時序較詳細的介紹。
由iMX7DSDMA（Smart DMA）控制器特性決定，ESM7000可支持的ISA總線操作類型如下：
| 模式 | offset | ISA總線讀操作 |
| 0 | 0x0000 … 0x00FF | 異步總線周期，CPU讀，inc僅對本模式有效 |
| 3 | 0x3000 … 0x30FF | 同步總線周期，CPU讀，要求ISA端口地址16字節(jié)對齊 |
| 4 | 0x4000 … 0x40FF | 同步總線周期，MemCpy方式DMA讀，同步譯碼端口 |
| 5 | 0x5000 … 0x50FF | 同步總線周期，外部信號觸發(fā)方式DMA讀，同步譯碼端口 |
| 模式 | offset | ISA總線寫操作 |
| 0 | 0x0000 … 0x00FF | 異步總線周期，CPU寫，inc僅對本模式有效 |
| 3 | 0x3000 … 0x30FF | 同步總線周期，CPU寫，要求ISA端口地址16字節(jié)對齊 |
| 4 | 0x4000 … 0x40FF | 同步總線周期，MemCpy方式DMA寫，同步譯碼端口 |
同步總線周期主要用于數(shù)據(jù)的高速傳送，因此采用固定數(shù)據(jù)端口。數(shù)據(jù)端口的譯碼則采用直接識別同步總線周期的方法，而不再采用對總線地址譯碼的方法。異步總線周期則主要用于擴展電路單元內(nèi)各寄存器的控制。
采用DMA進行ISA總線數(shù)據(jù)傳送的目的，是為了降低高速傳送大量數(shù)據(jù)時的CPU開銷，使系統(tǒng)在進行高速數(shù)據(jù)采集的同時，還能進行其他的必要操作。MemCpy方式的DMA是指軟件線程啟動DMA，然后該線程掛起等待DMA操作完成。在多線程環(huán)境中，其他線程即可在DMA執(zhí)行過程中得以并行運行。MemCpy方式DMA的具體情況將在《精簡ISA總線編程– Part 2》中介紹。硬件觸發(fā)DMA，為低成本實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集提供了技術(shù)手段，將在《精簡ISA總線編程– Part 3》中介紹相關(guān)的采集時序和程序?qū)崿F(xiàn)。
表格中的offset項，是指在程序設(shè)計中使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)struct isa_transfer的成員，其結(jié)構(gòu)如下：
|
structisa_transfer { void *rx_buf; /* != NULL: buffer for bus read */ void *tx_buf; /* != NULL: buffer for bus write */ unsigned len; /* buffer length in byte */ unsigned offset; /* offset，port address on isa bus */ unsigned inc; /* = 0: fixed offset, = 1: offset+1 after r/w */ }; |
每一個總線周期的操作只能是讀或?qū)?，因此在isa_transfer結(jié)構(gòu)中只能有一個buffer指針不為NULL。
ISA總線訪問API
對ISA總線硬件端口的基本訪問方法，包含在isa_api_v3.cpp文件中，如下所示：
|
#include #include #include #include #include #include #include"em335x_drivers.h" unsignedchar *isa_base = NULL; unsignedintmap_size = 4096; // return >= 0: return file handle // return < 0: return failed code intisa_open() { intfd; fd = open("/dev/em_isa", O_RDWR); if(fd< 0) { returnfd; } isa_base = (unsignedchar*)mmap(0,map_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0); if (isa_base == MAP_FAILED) { printf("%s mmap failed\n", __func__); isa_base = NULL; close(fd); return -1; } returnfd; } intisa_close(intfd) { if(isa_base != NULL) { munmap(isa_base, map_size); isa_base = NULL; } returnclose(fd); } // offset: port address in isa bus unsignedcharisa_read(intfd, unsignedint offset) { unsignedcharval_b; int rc; offset&= 0xff; if(isa_base != NULL) { unsignedshortintval_w; val_w = *((unsignedshortint*)(isa_base + (offset << 1))); val_b = (unsignedchar)(val_w& 0xff); returnval_b; } val_b = offset; rc = read(fd, &val_b, sizeof(unsignedchar)); if(rc< 0) { // read error printf("%s failed %d\n", __func__, rc); } returnval_b; } // offset: port address in isa bus voidisa_write(intfd, unsignedint offset, unsignedcharval_b) { unsignedshortintval_w; int rc; offset&= 0xff; if(isa_base != NULL) { val_w = val_b; *((unsignedshortint*)(isa_base + (offset << 1))) = val_w; return; } val_w = ((offset & 0xff) << 8) | val_b; rc = write(fd, &val_w, sizeof(unsignedshortint)); if(rc< 0) { // read error printf("%s failed %d\n", __func__, rc); } } // offset: port address in isa bus unsignedshortintisa_read16(intfd, unsignedint offset) { unsignedshortintval_w; int rc; // 2-byte alignment is required for offset offset&= 0xfe; if(isa_base != NULL) { unsignedintval; val = *((unsignedint*)(isa_base + (offset << 1))); val_w = (unsignedshortint)((val>> 8) | (val& 0x00ff)); returnval_w; } val_w = (unsignedshortint)offset; rc = read(fd, &val_w, sizeof(unsignedshortint)); if(rc< 0) { // read error printf("%s failed %d\n", __func__, rc); } returnval_w; } // offset: port address in isa bus voidisa_write16(intfd, unsignedint offset, unsignedshortintval_w) { unsignedintval; intrc; // 2-byte alignment is required for offset offset&= 0xfe; if(isa_base != NULL) { val = val_w; val = ((val<< 8) & 0x00ff0000) | (val& 0x000000ff); *((unsignedint*)(isa_base + (offset << 1))) = val; return; } val = (offset << 16) | val_w; rc = write(fd, &val, sizeof(unsignedint)); if(rc< 0) { // read error printf("%s failed %d\n", __func__, rc); } } intisa_read_buf(intfd, structisa_transfer *tp) { int rc; rc = read(fd, tp, sizeof(structisa_transfer)); if(rc< 0) { // read error printf("%s failed %d\n", __func__, rc); } returnrc; } intisa_write_buf(intfd, structisa_transfer *tp) { int rc; rc = write(fd, tp, sizeof(structisa_transfer)); if(rc< 0) { // read error printf("%s failed %d\n", __func__, rc); } returnrc; } |
函數(shù)isa_open(..)和isa_close(..)是打開關(guān)閉ISA驅(qū)動的設(shè)備節(jié)點。為了提高應(yīng)用程序訪問ISA硬件寄存器的速度，ISA驅(qū)動實現(xiàn)了mmap功能，使isa_read(..)、isa_write(..)、isa_read16(..)和isa_write16(..)這4個函數(shù)可在用戶空間直接操作ISA總線上的硬件寄存器，大大提高了代碼的執(zhí)行速度。注意若在多個線程中均有調(diào)用isa_api_v3.cpp的函數(shù)時，需要加互斥鎖，保證對硬件資源操作的完整性。
CPU字節(jié)/字讀寫
函數(shù)isa_write(fd, 0x40, 0x55)是向地址為0x40的寄存器寫入單個字節(jié)0x55，對應(yīng)的總線時序為：
時序圖顯示了8位總線的地址/數(shù)據(jù)復(fù)用，地址需利用ADV#信號鎖存。
函數(shù)isa_read(fd, 0x40)是從地址為0x40的寄存器讀取單個字節(jié)，對應(yīng)的總線時序為：
在上述時序中，ISA總線懸空，沒有接具體的外圍設(shè)備，因此由于分布電容的作用，在數(shù)據(jù)時段總線繼續(xù)保持前面輸出的地址0x40，讀取的數(shù)據(jù)也會是0x40。若此時有外圍設(shè)備輸出數(shù)據(jù)至總線上，該數(shù)據(jù)則會被系統(tǒng)讀取。
函數(shù)isa_write16(fd, 0x40, 0xaa55)是向地址為0x40的字寄存器寫入16-bit字0xaa55，對應(yīng)的總線時序為：
從時序圖可見，16-bit數(shù)據(jù)寫被分成兩個連續(xù)的總線周期，其中低位字節(jié)0x55寫入地址0x40寄存器，高位字節(jié)0xaa寫入地址0x41寄存器。為了盡可能縮短2個周期的間隔，要求地址必須是偶對齊。
函數(shù)isa_read16(fd, 0x40)是從地址為0x40的字寄存器讀取16-bit字，對應(yīng)的總線時序為：
同樣由于懸空總線的分布電容的作用，讀取的數(shù)據(jù)會是0x4140。
CPU數(shù)據(jù)塊讀寫
為了提高數(shù)據(jù)傳輸速度，對數(shù)據(jù)塊操作，推薦采用同步總線周期。在ESM7000 Linux版本中，每個同步總線周期可傳送4個字節(jié)。為了進一步加快數(shù)據(jù)塊的傳送，在驅(qū)動中使用了ARMv7的匯編塊指令來支持16字節(jié)以上的數(shù)據(jù)傳輸。因此強烈建議數(shù)據(jù)塊傳輸長度選擇為16字節(jié)的整倍數(shù)，其數(shù)據(jù)端口占用16個ISA地址，即只對高4位地址譯碼。
進行數(shù)據(jù)塊讀寫需要用到structisa_transfer傳遞相關(guān)參數(shù)。以下是執(zhí)行32字節(jié)數(shù)據(jù)塊寫的代碼，寫入地址為0x3040。順序的數(shù)據(jù)可方便時序的觀察。
|
unsignedchargbuf[64 * 1024]; unsignedint i, value; structisa_transfer t; unsignedchar *pBuf8; // write data block memset(&t, 0, sizeof(structisa_transfer)); t.offset = 0x3040; t.len = 32; t.tx_buf = gbuf; // fill data value = 0x55; // initial value pBuf8 = (unsignedchar*)t.tx_buf; for(i = 0; i *pBuf8 = (unsignedchar)(value + i); pBuf8++; } isa_write_buf(fd, &t); |
對應(yīng)的總線時序說明如下：
上圖可見，32個字節(jié)分成了8個總線周期完成，大致的總線速率為13MB/s。展開上述時序可看到：
總線上的數(shù)據(jù)0x55、0x59、…... 0x6D、0x71是每個總線周期CPU送出的第一個數(shù)據(jù)，保持3個時鐘節(jié)拍，所以可在示波器中顯示出來。進一步展開可看到：
ISA擴展單元可根據(jù)上述時序來支持高速的同步總線周期讀寫邏輯電路，其要點包括：
●每個周期的第一個BCLK下降沿ADV#有效，標志同步周期的開始，之后連續(xù)7個BCLK下降沿后同步周期結(jié)束。
●第一個總線周期地址為輸入地址，之后每個總線周期的地址+4，按16模循環(huán)。因此要求數(shù)據(jù)端口占用16個ISA地址。
●BCLK頻率30MHz，從第5個上升沿開始鎖存數(shù)據(jù)，連續(xù)4個數(shù)據(jù)。沒有BCLK時輸出的數(shù)據(jù)沒有意義，不影響正常的數(shù)據(jù)傳輸。
以上是對精簡ISA總線基本讀寫的介紹，有興趣的客戶可與英創(chuàng)公司技術(shù)聯(lián)系，索取測試代碼源碼。技術(shù)支持郵箱：support@emtronix.com。
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