精簡ISA總線WinCE編程
ISA總線簡介
英創精簡ISA總線接口是一種8-bit寬度的雙向并行擴展總線，其特點是地址數據分時復用8-bit總線。英創精簡ISA總線支持異步和同步訪問模式，異步訪問模式下ISA總線使用8條數據線加上4條總線控制信號，即可實現對外部數據的快速讀寫，異步訪問的最高速率在5MB/s左右。同步訪問需要再使能一條總線時鐘信號（共13條信號），可實現高達12MB/s的數據傳輸。精簡ISA總線作為英創主板的特色功能之一，在ESM6802、ESM7000、ESM335x等多款型號中均有配置。英創精簡ISA總線的信號定義如下：
| 主板引腳 | 信號及說明 |
| E2 | ISA_D0，地址數據總線，LSB |
| E3 | ISA_D1，地址數據總線 |
| E4 | ISA_D2，地址數據總線 |
| E5 | ISA_D3，地址數據總線 |
| E6 | ISA_D4，地址數據總線 |
| E7 | ISA_D5，地址數據總線 |
| E8 | ISA_D6，地址數據總線 |
| E9 | ISA_D7，地址數據總線 |
| E10 | ISA_RDn，數據讀控制信號 |
| E11 | ISA_WEn，數據寫控制信號 |
| E12 | ISA_ADVn，地址鎖存控制信號 |
| E13 | ISA_CSn，片選信號 |
| F9 | GPIO24 / ISA_BCLK，同步時鐘ISA_BCLK |
ISA總線數據結構
ISA總線的數據傳輸由ISA_BLOCK_INFO數據結構定義，其說明如下：
typedef struct
{
PBYTE pReadBuf;
PBYTE pWriteBuf;
DWORD dwDataLength;
DWORD dwDataPortOfs;
DWORD dwInc;
} ISA_BLOCK_INFO, *PISA_BLOCK_INFO; 成員說明
pReadBuf
ISA總線讀數據緩存，!=NULL表示為ISA總線讀操作，pReadBuf與pWriteBuf指針不能同時有效
pWriteBuf
ISA總線寫數據緩存， !=NULL表示為ISA總線寫操作，pReadBuf與pWriteBuf指針不能同時有效
dwDataLength
讀/寫訪問的字節長度
dwDataPortOfs
ISA端口地址。ISA總線驅動程序支持應用程序使用不同的地址范圍來區別不同的操作模式，根據ISA端口地址可實現以下幾種總線訪問模式。
| Value | ISA總線訪問模式 |
| 0x0000...0x00FF | 異步總線周期，CPU操作 |
| 0x1000...0x10FF | 異步總線周期，DMA方式傳輸，dwInc需要同時設置為0 |
| 0x4000...0x40FF | 同步總線周期，DMA方式傳輸，dwInc需要同時設置為0 |
由于精簡ISA總線的寬度只有8-bit，因此它實際的物理尋址范圍也只有8-bit，即0x00-0xFF。
dwInc
每次ISA讀寫后地址是否增加
| Value | Meaning |
| 0 | 固定地址 |
| 1 | 讀/寫后地址自動加1 |
備注：
ISA總線的CPU操作方式主要用于小量數據的傳輸，比如控制命令、配置數據讀寫等。
DMA方式傳輸可在較低CPU開銷的情況下實現大批量數據的高速傳輸，DMA方式傳輸要求傳輸的數據長度dwDataLength為32的整倍數、同時需要將dwInc設置為0，否則驅動程序會使用CPU方式進行數據傳輸。DMA傳輸方式需要連接在ISA總線的上CPLD/FPGA使用固定的數據端口地址，在CPLD/FPGA內部自己管理地址偏移。
ESM335x工控主板只支持異步訪問模式，在異步DMA方式傳輸時，需要將dwInc設置為0來固定數據端口地址。
ESM6802/ESM7000支持異步和同步DMA訪問模式，但由于SDMA(NXP Smart DMA)的原因，即使將dwInc設置為0，在進行DMA數據傳輸時也無法固定端口地址，因此CPLD/FPGA需要通過額外的方法來識別當前為DMA傳輸。ESM6802/ESM7000在進行異步DMA訪問時，可通過1位GPIO來向外表明當前為異步DMA訪問模式，也可通過CPU操作方式向指定地址寫入特定命令，讓CPLD/FPGA切換到異步DMA傳輸模式。在進行同步DMA訪問時，可結合ISA_BCLK信號來識別當前的傳輸模式。為了避免混淆，在實際應用時建議僅使用一種DMA(同步或異步)訪問模式，推薦使用同步DMA訪問模式以獲得最高的ISA總線速度。
ISA總線速度測試
在ISA_BLOCK_INFO結構體中定義了異步CPU訪問，異步DMA和同步DMA三種ISA總線訪問方式，而異步CPU訪問又可通過驅動API函數和內存映射兩種方式來實現。
驅動API訪問是指應用程序直接調用設備驅動API函數WriteFil/ReadFile進行字/字節的總線讀寫。ISA總線周期通常在200ns左右，而應用程序調用一次設備驅動程序API花費的時間卻需要數微秒的時間，這顯然大大降低了總線單字（或單字節）的訪問效率。為了解決這一問題，我們利用了WinCE的虛擬地址映射技術，在ISA驅動程序中實現了，在使用ISA總線的應用進程地址空間內分配一段虛擬地址空間，并將其與ISA接口的物理地址空間進行綁定。簡單來講就是實現了在WinCE應用程序中可以直接訪問ISA總線的外設地址空間，即內存映射訪問方式。
下圖是ESM3354、ESM7000和ESM6802，ISA總線在各種訪問模式下的總線速度。
圖1 ESM335x / ESM7000 / ESM6802 ISA總線速度
下圖是ESM7000 ISA總線在不同訪問模式下，總線速度與CPU使用情況的對比。可以看到內存映射方式訪問(異步CPU操作)與異步DMA訪問在總線速度上很接近，但使用DMA傳輸可大大降低對CPU的開銷。因此對于頻繁的字或字節訪問可以使用內存映射方式訪問，而對于成批量數據的讀寫應該使用DMA方式進行傳輸。
圖2 ESM7000 ISA總線在不同訪問方式下總線速度與CPU占用率
ISA總線訪問API
對ISA總線的所有訪問方法都包含在isa_api_v3.cpp文件中，如下所示：
#include "StdAfx.h"
#include "bsp_drivers.h"
#include <WinIoCtl.h>
#include "isa_api_v3.h"
DWORD g_dwISABase = 0;
HANDLE ISA_Open( LPCWSTR lpDevName )
{
HANDLE hISA;
hISA = CreateFile(lpDevName, // name of device
GENERIC_READ|GENERIC_WRITE, // desired access
FILE_SHARE_READ|FILE_SHARE_WRITE, // sharing mode
NULL, // security attributes (ignored)
OPEN_EXISTING, // creation disposition
FILE_FLAG_RANDOM_ACCESS, // flags/attributes
NULL);
if(hISA != INVALID_HANDLE_VALUE)
{
if(DeviceIoControl(hISA, //打開“ISA1:”返回的Handler
IOCTL_VIRTUAL_COPY_EX, // IOCTL命令碼
NULL,0, // 不使用輸入參數
&g_dwISABase, sizeof(DWORD), // 得到ISA基地址
NULL, NULL))
return hISA;
CloseHandle(hISA);
hISA = INVALID_HANDLE_VALUE;
}
return hISA;
}
BOOL ISA_Close( HANDLE hISA)
{
g_dwISABase = 0;
return CloseHandle( hISA );
}
// Function: read a byte from a port on ISA bus
// Input: hISA: the HANDLE returned from ISA_Open function
// dwPortOffset = 0, 1, .. 255, address of port on ISA
// Return: the byte data read
BYTE ISARead8(HANDLE hISA, DWORD dwPortOffset)
{
WORD *pPortAddr;
WORD wValue;
BYTE ucValue;
DWORD dwNbBytesRead = 0;
if(g_dwISABase != 0)
{
dwPortOffset &= 0xff;
dwPortOffset <<= 1; // D[0..7] <=> A[1..8] in AD-muxed mode
pPortAddr = (WORD*)(g_dwISABase + dwPortOffset);
wValue = *pPortAddr;
return (BYTE)wValue;
}
ucValue = (BYTE)(dwPortOffset & 0xFF);
ReadFile(hISA, &ucValue, sizeof(ucValue), &dwNbBytesRead, NULL);
return ucValue;
}
// Function: write a byte to a port on ISA bus
// Input: hISA: the HANDLE returned from ISA_Open function
// dwPortOffset = 0, 1, .. 255, address of port on ISA
// ucValue = the byte data to be written
void ISAWrite8(HANDLE hISA, DWORD dwPortOffset, BYTE ucValue)
{
WORD *pPortAddr;
WORD wValue;
DWORD dwNbBytesWritten = 0;
if(g_dwISABase != 0)
{
dwPortOffset &= 0xff;
dwPortOffset <<= 1; // D[0..7] <=> A[1..8] in AD-muxed mode
pPortAddr = (WORD*)(g_dwISABase + dwPortOffset);
*pPortAddr = (WORD)ucValue;
return;
}
wValue = (WORD)(dwPortOffset & 0xFF);
wValue = (wValue << 8) | ucValue;
WriteFile(hISA, &wValue, sizeof(wValue), &dwNbBytesWritten, NULL);
}
// Function: read a word from a port on ISA bus
// Input: hISA: the HANDLE returned from ISA_Open function
// dwPortOffset = 0, 2, 4, .. 254, address of port on ISA
// Return: the word data read
WORD ISARead16(HANDLE hISA, DWORD dwPortOffset)
{
DWORD *pPortAddr;
DWORD dwValue;
WORD wValue;
DWORD dwNbBytesRead = 0;
if(g_dwISABase != 0)
{
dwPortOffset &= 0xFE; // 2-byte alignment
dwPortOffset <<= 1; // D[0..7] <=> A[1..8] in AD-muxed mode
pPortAddr = (DWORD*)(g_dwISABase + dwPortOffset);
dwValue = *pPortAddr;
// the high-byte of data is at value[23..16]
return (WORD)(((dwValue >> 8) & 0xFF00) | (dwValue & 0xFF));
}
wValue = (WORD)(dwPortOffset & 0xFE);
ReadFile(hISA, &wValue, sizeof(wValue), &dwNbBytesRead, NULL);
return wValue;
}
// Function: write a word to a port on ISA bus
// Input: hISA: the HANDLE returned from ISA_Open function
// dwPortOffset = 0, 2, 4, .. 254, address of port on ISA
// wValue = the word data to be written
void ISAWrite16(HANDLE hISA, DWORD dwPortOffset, WORD wValue)
{
DWORD *pPortAddr;
DWORD dwValue;
DWORD dwNbBytesWritten = 0;
if(g_dwISABase != 0)
{
dwPortOffset &= 0xFE; // 2-byte alignment
dwPortOffset <<= 1; // D[0..7] <=> A[1..8] in AD-muxed mode
pPortAddr = (DWORD*)(g_dwISABase + dwPortOffset);
dwValue = wValue;
// dispatch high-byte of data to value[23..16]
*pPortAddr = ((dwValue << 8) & 0x00ff0000) | (dwValue & 0x000000ff);
return;
}
dwValue = (dwPortOffset << 16) | wValue;
WriteFile(hISA, &dwValue, sizeof(dwValue), &dwNbBytesWritten, NULL);
}
// Function: read a bulk data from a port on ISA bus
// Input: hISA: the HANDLE returned from ISA_Open function
// *tp: a pointer to the ISA_BLOCK_INFO structure
// Return: number of bytes read
DWORD ISAReadBuf(HANDLE hISA, PISA_BLOCK_INFO tp)
{
DWORD dwNbBytesRead = 0;
if(ReadFile(hISA, tp, sizeof(ISA_BLOCK_INFO), &dwNbBytesRead, NULL))
return dwNbBytesRead;
return 0;
}
// Function: read a bulk data from a port on ISA bus
// Input: hISA: the HANDLE returned from ISA_Open function
// *tp: a pointer to the ISA_BLOCK_INFO structure
// Return: the number of bytes written
DWORD ISAWriteBuf(HANDLE hISA, PISA_BLOCK_INFO tp)
{
DWORD dwNbBytesWritten = 0;
if(WriteFile(hISA, tp, sizeof(ISA_BLOCK_INFO), &dwNbBytesWritten, NULL))
return dwNbBytesWritten;
return 0;
}注意，當采用內存映射方式訪問時，若在多個線程中均有調用字或字節讀寫函數(ISAWrite8, ISAWrite16, ISARead8, ISARead126)，需要加互斥鎖，以保證對硬件資源操作的完整性。通過驅動API調用的讀寫函數，在驅動內部已經增加了互斥操作，應用程序不需要再次添加。
ISA異步總線周期讀時序
ISA異步總線周期寫時序
ISA同步總線周期讀時序
ISA擴展單元可根據上述時序來支持高速的同步總線周期讀邏輯電路，其要點包括：
● 每個同步周期共12個BCLK時鐘，第1個BCLK下降沿ADVn有效，標志同步周期的開始，之后連續11個BCLK下降沿后同步周期結束。
● 每個同步周期傳輸8個字節有效數據，ISA總線從BCLK第5個上升沿開始鎖存數據，連續讀8個字節。
● ISA總線雖然輸出了ADDR地址數據，但這個地址是不固定的，ISA擴展單元應該忽略此地址數據。
ISA同步總線周期寫時序
ISA擴展單元可根據上述時序來支持高速的同步總線周期寫邏輯電路，其要點包括：
● 每個同步周期共12個BCLK時鐘，第1個BCLK下降沿ADVn有效，標志同步周期的開始，之后連續11個BCLK下降沿后同步周期結束。
● 每個同步周期傳輸8個字節有效數據，ISA擴展單元應從BCLK第5個上升沿開始鎖存數據，連續8個字節。
● ISA總線雖然輸出了ADDR地址數據，但這個地址是不固定的，ISA擴展單元應該忽略此地址數據。