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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(nèi)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(wǎng)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(jié)構(gòu)內(nèi)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(shù)據(jù)和指令高速緩存，高速緩存行的長度是8個字。ARM922T 實現(xiàn)增強型ARM結(jié)構(gòu)v4MMU以提供對指令和數(shù)據(jù)地址的轉(zhuǎn)換和訪問許可檢測。ARM922T 支持ARM調(diào)試結(jié)構(gòu)協(xié)處理器以及Tracking ICE。
ZCP320A內(nèi)部使用三條AHB總線連接實現(xiàn)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(jù)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(nèi)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(xiàn)AMBA AHB協(xié)議到PCI協(xié)議的轉(zhuǎn)換。PCI總線通過AHB-PCI橋連接到內(nèi)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(xiàn)AMBA AHB協(xié)議到PCI協(xié)議的轉(zhuǎn)換。PCI總線通過AHB-PCI橋連接到內(nèi)部AHB總線。如圖1所示。
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AHB-PCI 橋是實現(xiàn)AHB總線和PCI總線的協(xié)議轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)AHB總線和PCI 總線之間數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)總線。在CPU內(nèi)部橋和兩條內(nèi)部總線相連接，COREBUS 和PBUS。這兩條內(nèi)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(nèi)部存儲器等資源。橋為PCI總線和內(nèi)部ARM CORE及內(nèi)部存儲器的通信提供了數(shù)據(jù)緩沖。ARM CORE寫數(shù)據(jù)緩沖由兩個FIFO組成，每個FIFO可容納32字節(jié)的數(shù)據(jù)和4 字節(jié)的地址。ARM CORE讀數(shù)據(jù)緩沖由一個FIFO組成，該FIFO可容納32字節(jié)的數(shù)據(jù)和4字節(jié)的地址。在另一側(cè)PCI寫數(shù)據(jù)緩沖由兩個FIFO組成，每個FIFO可容納32字節(jié)的數(shù)據(jù)和4字節(jié)的地址。PCI讀數(shù)據(jù)緩沖由一個FIFO組成，此FIFO也可容納32字節(jié)的數(shù)據(jù)和4字節(jié)的地址。當有大量數(shù)據(jù)需要進行傳輸?shù)臅r候，橋上提供了DMA控制器供使用，可以大大提高數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的時候可以實現(xiàn)乒乓效應，也就是說在接收的同時發(fā)送數(shù)據(jù)。
通過AHB-PCI橋，內(nèi)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(nèi)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(jù)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(nèi)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(zhuǎn)換功能和地址空間范圍定義功能。地址轉(zhuǎn)換包括兩個方向，一是從ARM CORE到外部PCI空間的地址轉(zhuǎn)換；二是從PCI空間到PBUS空間的轉(zhuǎn)換。地址轉(zhuǎn)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(xiàn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)據(jù)寄存器。ARM CORE在COREBUS上通過對這兩個寄存器的操作實現(xiàn)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(xiàn)是通過鎖寄存器REG_LOCK 來實現(xiàn)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(jīng)成功。如果讀得的該寄存器的值是0x1，則說明已經(jīng)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(jié)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(jié)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(wǎng)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(nèi)部結(jié)構(gòu)。
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(shù)據(jù)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(jù)實際情況來確定，通過相關的控制寄存器實現(xiàn)。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(zhuǎn)換機制來實現(xiàn)地址空間從COREBUS到PCI總線之間的轉(zhuǎn)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(wǎng)卡的PCI配置空間寄存器
對于ARM核來說，通過AHB-PCI橋?qū)ν獠縋CI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(shù)據(jù)寄存器（0xcfc）的訪問來實現(xiàn)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(shù)據(jù)寄存器進行讀或?qū)憽?/p>
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(qū)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?qū)ν獠康腜CI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(shù)據(jù)寄存器（0xcfc）進行讀/寫訪問，從而實現(xiàn)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)在PCI總線和PBUS之間傳輸實現(xiàn)兩種總線協(xié)議的轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)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(jié)束語
ZCP320A內(nèi)部集成的PCI總線接口，大大簡化了系統(tǒng)設計�？梢詿o縫擴展PCI設備，例如網(wǎng)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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