精簡(jiǎn)ISA總線接口是一種8-bit寬度的雙向并行擴(kuò)展總線，其特點(diǎn)是地址數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用8-bit總線，加上4條總線控制信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)外部數(shù)據(jù)的快速讀寫(xiě)。若再使能一條總線時(shí)鐘信號(hào)（共13條信號(hào)），就可實(shí)現(xiàn)高達(dá)10MB/s的數(shù)據(jù)傳輸。精簡(jiǎn)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(hào)中均有配置。

　　對(duì)精簡(jiǎn)ISA總線接口的應(yīng)用編程，將通過(guò)3個(gè)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(wèn)模式，以及最基本的總線數(shù)據(jù)讀寫(xiě)。第二部分介紹由應(yīng)用程序啟動(dòng)基于DMA的數(shù)據(jù)塊讀寫(xiě)。采用DMA方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)讀寫(xiě)，可有效降低CPU的負(fù)載率。第三部分介紹ISA擴(kuò)展硬件觸發(fā)DMA數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒?，該方法主要面向工業(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(jī)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(shí)現(xiàn)高達(dá)5MB/s（每秒5兆字節(jié)）以上的數(shù)據(jù)采集率。

　　ISA總線信號(hào)定義如下：

　　本文以下部分，將以ESM7000 Linux平臺(tái)為例，介紹具體的編程方法。

ISA總線操作模式

　　精簡(jiǎn)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(dòng)程序支持應(yīng)用程序使用不同的地址范圍，來(lái)區(qū)別不同的訪問(wèn)類(lèi)型。根據(jù)ISA地址可有如下6種類(lèi)型：

　　ISA總線的異步總線周期是指每個(gè)總線周期讀寫(xiě)一個(gè)字節(jié)，只需用到ISA最基本的12條信號(hào)線；而同步總線周期則需要使用總線時(shí)鐘信號(hào)（共13條信號(hào)線），可實(shí)現(xiàn)一個(gè)總線周期讀寫(xiě)4個(gè)字節(jié)。在《在英創(chuàng)工控主板上實(shí)現(xiàn)高速工控?cái)?shù)據(jù)采集》一文中有對(duì)異步總線周期時(shí)序和同步總線周期時(shí)序較詳細(xì)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(lèi)型如下：

　　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(shí)別同步總線周期的方法，而不再采用對(duì)總線地址譯碼的方法。異步總線周期則主要用于擴(kuò)展電路單元內(nèi)各寄存器的控制。

　　采用DMA進(jìn)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(shí)的CPU開(kāi)銷(xiāo)，使系統(tǒng)在進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集的同時(shí)，還能進(jìn)行其他的必要操作。MemCpy方式的DMA是指軟件線程啟動(dòng)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(guò)程中得以并行運(yùn)行。MemCpy方式DMA的具體情況將在《精簡(jiǎn)ISA總線編程– Part 2》中介紹。硬件觸發(fā)DMA，為低成本實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集提供了技術(shù)手段，將在《精簡(jiǎn)ISA總線編程– Part 3》中介紹相關(guān)的采集時(shí)序和程序?qū)崿F(xiàn)。

　　表格中的offset項(xiàng)，是指在程序設(shè)計(jì)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(gè)總線周期的操作只能是讀或?qū)懀虼嗽趇sa_transfer結(jié)構(gòu)中只能有一個(gè)buffer指針不為NULL。

ISA總線訪問(wèn)API

　　對(duì)ISA總線硬件端口的基本訪問(wèn)方法，包含在isa_api_v3.cpp文件中，如下所示：

#include<fcntl.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<sys/mman.h>
#include<unistd.h>
#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(kāi)關(guān)閉ISA驅(qū)動(dòng)的設(shè)備節(jié)點(diǎn)。為了提高應(yīng)用程序訪問(wèn)ISA硬件寄存器的速度，ISA驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了mmap功能，使isa_read(..)、isa_write(..)、isa_read16(..)和isa_write16(..)這4個(gè)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(gè)線程中均有調(diào)用isa_api_v3.cpp的函數(shù)時(shí)，需要加互斥鎖，保證對(duì)硬件資源操作的完整性。

CPU字節(jié)/字讀寫(xiě)

　　函數(shù)isa_write(fd, 0x40, 0x55)是向地址為0x40的寄存器寫(xiě)入單個(gè)字節(jié)0x55，對(duì)應(yīng)的總線時(shí)序?yàn)椋?/p>

　　時(shí)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(hào)鎖存。

　　函數(shù)isa_read(fd, 0x40)是從地址為0x40的寄存器讀取單個(gè)字節(jié)，對(duì)應(yīng)的總線時(shí)序?yàn)椋?/p>

　　在上述時(shí)序中，ISA總線懸空，沒(méi)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(shí)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(huì)是0x40。若此時(shí)有外圍設(shè)備輸出數(shù)據(jù)至總線上，該數(shù)據(jù)則會(huì)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(xiě)入16-bit字0xaa55，對(duì)應(yīng)的總線時(shí)序?yàn)椋?/p>

　　從時(shí)序圖可見(jiàn)，16-bit數(shù)據(jù)寫(xiě)被分成兩個(gè)連續(xù)的總線周期，其中低位字節(jié)0x55寫(xiě)入地址0x40寄存器，高位字節(jié)0xaa寫(xiě)入地址0x41寄存器。為了盡可能縮短2個(gè)周期的間隔，要求地址必須是偶對(duì)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(duì)應(yīng)的總線時(shí)序?yàn)椋?/p>

　　同樣由于懸空總線的分布電容的作用，讀取的數(shù)據(jù)會(huì)是0x4140。

CPU數(shù)據(jù)塊讀寫(xiě)

　　為了提高數(shù)據(jù)傳輸速度，對(duì)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(gè)同步總線周期可傳送4個(gè)字節(jié)。為了進(jìn)一步加快數(shù)據(jù)塊的傳送，在驅(qū)動(dòng)中使用了ARMv7的匯編塊指令來(lái)支持16字節(jié)以上的數(shù)據(jù)傳輸。因此強(qiáng)烈建議數(shù)據(jù)塊傳輸長(zhǎng)度選擇為16字節(jié)的整倍數(shù)，其數(shù)據(jù)端口占用16個(gè)ISA地址，即只對(duì)高4位地址譯碼。

　　進(jìn)行數(shù)據(jù)塊讀寫(xiě)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(xiě)的代碼，寫(xiě)入地址為0x3040。順序的數(shù)據(jù)可方便時(shí)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<t.len; i++){
       *pBuf8 = (unsignedchar)(value + i);
       pBuf8++;
}
isa_write_buf(fd, &t);

　　對(duì)應(yīng)的總線時(shí)序說(shuō)明如下：

　　上圖可見(jiàn)，32個(gè)字節(jié)分成了8個(gè)總線周期完成，大致的總線速率為13MB/s。展開(kāi)上述時(shí)序可看到：

　　總線上的數(shù)據(jù)0x55、0x59、…... 0x6D、0x71是每個(gè)總線周期CPU送出的第一個(gè)數(shù)據(jù)，保持3個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍，所以可在示波器中顯示出來(lái)。進(jìn)一步展開(kāi)可看到：

　　ISA擴(kuò)展單元可根據(jù)上述時(shí)序來(lái)支持高速的同步總線周期讀寫(xiě)邏輯電路，其要點(diǎn)包括：

　　●　每個(gè)周期的第一個(gè)BCLK下降沿ADV#有效，標(biāo)志同步周期的開(kāi)始，之后連續(xù)7個(gè)BCLK下降沿后同步周期結(jié)束。

　　●　第一個(gè)總線周期地址為輸入地址，之后每個(gè)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(gè)ISA地址。

　　●　BCLK頻率30MHz，從第5個(gè)上升沿開(kāi)始鎖存數(shù)據(jù)，連續(xù)4個(gè)數(shù)據(jù)。沒(méi)有BCLK時(shí)輸出的數(shù)據(jù)沒(méi)有意義，不影響正常的數(shù)據(jù)傳輸。

　　以上是對(duì)精簡(jiǎn)ISA總線基本讀寫(xiě)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(cè)試代碼源碼。技術(shù)支持郵箱：support@www.jsjflaw.com。