基于PCI接口的虛擬儀器軟件開發(fā)

1、基于PCI接口的虛擬儀器軟件開發(fā)摘 要：介紹了一種使用LabView軟件和VC+編輯的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)開發(fā)基于PCI接口的虛擬儀器軟件的方法，并且給出了動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)設(shè)計(jì)的范例。 1 引言 PCI總線是一種目前使用非常普遍的、為CPU與外設(shè)提供高性能數(shù)據(jù)總線的局部總線。由于PCI總線的高速特性，他可以有效解決數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)傳輸和實(shí)時(shí)存儲(chǔ)等問題，現(xiàn)有基于PC機(jī)的各種虛擬儀器大多都使用了PCI總線。 所謂虛擬儀器，就是在通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，用戶根據(jù)自己的需求定義和設(shè)計(jì)儀器的測(cè)試功能，其實(shí)質(zhì)是將傳統(tǒng)儀器硬件和最新計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)充分結(jié)合起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)并擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器的功能。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器在智能化程度、

2、處理能力、性能價(jià)格比、可操作性等方面均具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。 我們?yōu)榛赑CI接口的虛擬儀器開發(fā)界面及驅(qū)動(dòng)，使用LabView（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái)）及C+軟件開發(fā)。2 LabView設(shè)計(jì)使用 LabView是目前國(guó)際上首推應(yīng)用最廣的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境之一，主要應(yīng)用于儀器控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示等領(lǐng)域。 LabView軟件工具的特點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn)可歸納為： (1)圖形化的編程方式，無(wú)需寫任何文本格式的代碼，是真正的工程師的語(yǔ)言。 (2)提供了豐富的數(shù)據(jù)采集、分析及存儲(chǔ)的庫(kù)函數(shù)。 (3)提供了傳

3、統(tǒng)的程序調(diào)試手段，如設(shè)置斷點(diǎn)、單步運(yùn)行，同時(shí)提供有獨(dú)到的高亮度執(zhí)行工具，使程序動(dòng)畫式運(yùn)行，利于設(shè)計(jì)者觀察程序運(yùn)行的細(xì)節(jié)，使程序的調(diào)試和開發(fā)更為便捷。 (4)32位的編譯器生成32位編譯程序，保證用戶數(shù)據(jù)采集、測(cè)試和測(cè)量方案的高速執(zhí)行。 (5)包括了DAQ GPIB PXI VXI RS232/485在內(nèi)的各種儀器通信總線標(biāo)準(zhǔn)的所有功能函數(shù)，使得不懂總線標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)者也能夠駕馭不同總線標(biāo)準(zhǔn)的接口設(shè)備與儀器。 (6)提供了大量與外部代碼和軟件進(jìn)行連接的機(jī)制，諸如DDLs(動(dòng)態(tài)連接庫(kù))、DDE（共享庫(kù)）、ActineX等。2.1 LabView程序設(shè)計(jì)的一般過程 一個(gè)LabView程序設(shè)計(jì)主要包括前面

4、板的設(shè)計(jì)、框圖程序的設(shè)計(jì)和程序的調(diào)試。 (1)首先創(chuàng)建前面板 前面板中主要由輸入控制器和輸出顯示器組成。利用工具模板來(lái)添加輸入控制器和輸出顯示器（添加后會(huì)在框圖程序中出現(xiàn)對(duì)應(yīng)的指示器和控制器框圖）?？刂破髟试S用戶輸入數(shù)據(jù)到程序，指示器用來(lái)顯示程序運(yùn)行的結(jié)果。 (2)框圖程序設(shè)計(jì) 相當(dāng)于源代碼的設(shè)計(jì)。對(duì)框圖程序設(shè)計(jì)主要是對(duì)節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)端口和連線的設(shè)計(jì)。節(jié)點(diǎn)是LabView程序運(yùn)行的要素，他包括4種類型：函數(shù)、LabView子程序、結(jié)構(gòu)和代碼。 (3)程序的調(diào)試 當(dāng)前面板和框圖程序設(shè)計(jì)好以后，程序的執(zhí)行過程中可能會(huì)遇到很多的錯(cuò)誤。如果程序不能執(zhí)行，運(yùn)行按鈕會(huì)出現(xiàn)一個(gè)折斷的箭頭。點(diǎn)擊斷箭的運(yùn)行按鈕會(huì)出

5、現(xiàn)錯(cuò)誤清單。調(diào)試的主要方法有:設(shè)置執(zhí)行程序?yàn)楦吡练绞?、單步?zhí)行和探針。2.2 動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)機(jī)制 對(duì)于大多編程任務(wù)，LabView通常能產(chǎn)生高效的代碼。但LabView亦存在不足，如，不適合于或不擅長(zhǎng)于完成大量數(shù)據(jù)處理的任務(wù)。在虛擬儀器系統(tǒng)開發(fā)中若遇到這類問題，就可利用LabView所提供的與外部代碼進(jìn)行連接的機(jī)制，將其自身無(wú)法或不易實(shí)現(xiàn)的任務(wù)通過能夠或更適合于完成此類任務(wù)的外部代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)。 LabView提供了4種調(diào)用外部程序代碼的途徑，其中動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（Dynamic Link Library DLL）機(jī)制是從LabView調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)共享庫(kù)和用戶自定義庫(kù)函數(shù)的通用方法。具體實(shí)現(xiàn)是使用LabView

6、功能模板中“Advanced”子模板里的“調(diào)用庫(kù)函數(shù)（Call Library Function）”結(jié)點(diǎn)?！罢{(diào)用庫(kù)函數(shù)結(jié)點(diǎn)”包括大量的數(shù)據(jù)類型和調(diào)用規(guī)范，使用他可調(diào)用大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)共享庫(kù)和用戶自定義庫(kù)中的函數(shù)，用戶可以使用幾乎任何開發(fā)環(huán)境去創(chuàng)建LabView能夠調(diào)用的庫(kù)。3 軟件設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用LabView軟件做界面，調(diào)用VC+生成的動(dòng)態(tài)鏈接文件DLL獲取所設(shè)計(jì)的PCI卡的I/O地址。然后對(duì)I/O口操作實(shí)現(xiàn)對(duì)PCI卡數(shù)據(jù)的讀和寫。在LabView中也有對(duì)I/O口的操作函數(shù)IN PORT和OUT PORT,但是他們最多支持16位的數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)PCI卡的操作必須是32位的，所以調(diào)用DLL文件，獲取P

7、CI卡的I/O地址的方法可調(diào)用BIOS中斷1AH,也可以對(duì)PCI的配置空間地址寄存器和配置空間數(shù)據(jù)寄存器讀寫而得到。 PCI總線編程的關(guān)鍵技術(shù)是是對(duì)相應(yīng)板卡配置空間的理解和訪問。我們?cè)陂_發(fā)PCI總線接口設(shè)備時(shí)，經(jīng)過對(duì)PCI 總線協(xié)議的深入研究，從協(xié)議本身的角度出發(fā)，找到一種方便而快捷的PCI配置空間操作方法，只使用簡(jiǎn)單的I/O命令即可找到特定的PCI總線設(shè)備，并對(duì)其所有的配置空間進(jìn)行I/O讀寫操作。一旦讀得其配置空間的內(nèi)容，即可得到擔(dān)任系統(tǒng)對(duì)該P(yáng)CI總線設(shè)備的資源分配。3.1 總線配置空間及配置機(jī)制 各PCI設(shè)備有其獨(dú)自的配置空間，設(shè)計(jì)者通過對(duì)插槽的IDSEL引腳的驅(qū)動(dòng)區(qū)分不同設(shè)備的配置空間。

8、與編程有關(guān)的配置空間信息主要有： (1)設(shè)備號(hào)（Device ID）及銷售商號(hào)（Vendor ID），配置空間偏移量為00 H，用于對(duì)各PCI設(shè)備的區(qū)分和查找。 (2)PCI基地址（PCI Base Address），配置空間偏移量為1024 H，設(shè)備通過設(shè)定可讀寫的高位數(shù)值來(lái)向操作系統(tǒng)指示所需資源空間的大小。 由于PCAT兼容系統(tǒng)CPU只有內(nèi)存和I/O兩種空間，沒有專用的配置空間，PCI 協(xié)議規(guī)定利用特定的I/O空間操作驅(qū)動(dòng)PCI橋路轉(zhuǎn)換成配置空間的操作。目前存在2種轉(zhuǎn)換機(jī)制，即配置機(jī)制1#和配置機(jī)制2#。配置機(jī)制2#在新的設(shè)計(jì)中將不再被采用，新的設(shè)計(jì)應(yīng)使用配置機(jī)制1#來(lái)產(chǎn)生配置空間的物理操

9、作。這種機(jī)制使用了2個(gè)特定的32位I/O空間，即CF8 H和CFCH。這2個(gè)空間對(duì)應(yīng)于PCI橋路的2個(gè)寄存器，當(dāng)橋路看到CPU在局部總線對(duì)這2個(gè)I/O空間進(jìn)行雙字操作時(shí)，就將該I/O操作轉(zhuǎn)變?yōu)镻CI總線的配置操作。寄存器CF8H用于產(chǎn)生配置空間的地址（CONFIG_ADDRESS），寄存器CFCH用于保存配置空間的讀寫數(shù)據(jù)(CONFIG_DATA)配置空間地址寄存器的格式如圖1所示。 當(dāng)CPU發(fā)出對(duì)I/O空間CFCH的操作時(shí)，PCI橋路將檢查配置空間地址寄存器CF8H的31位。如果為1，就在PCI總線上產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的配置空間讀或?qū)懖僮?，其地址由PCI橋路根據(jù)配置空間地址寄存器的內(nèi)容做出，見圖2

10、。 設(shè)備號(hào)被PCI橋路譯碼產(chǎn)生PCI總線地址的高位地址，他們被設(shè)計(jì)者用作IDSEL信號(hào)來(lái)區(qū)分相應(yīng)的PCI設(shè)備。6位寄存器號(hào)用于尋址該P(yáng)CI設(shè)備配置空間64個(gè)雙字的配置寄存器。功能號(hào)用于區(qū)分多功能設(shè)備的某特定功能的配置空間，對(duì)常用的單功能設(shè)備為000。其中PCI插槽的總線號(hào)隨系統(tǒng)（主板）的不同稍有區(qū)別。為了找到某設(shè)備，應(yīng)在系統(tǒng)的各個(gè)總線號(hào)上查找，直到定位。如果在031號(hào)總線上不能發(fā)現(xiàn)該設(shè)備，即可認(rèn)為該設(shè)備不存在。 理解了上述PCI協(xié)議里的配置機(jī)制后，就可以直接對(duì)CF8H和CFCH兩個(gè)雙字的I/O空間進(jìn)行操作，查找某個(gè)PCI設(shè)備并訪問其配置空間，從而得到操作系統(tǒng)對(duì)該P(yáng)CI設(shè)備的資源分配。3.2 I

11、/O命令訪問配置空間 要訪問PCI總線設(shè)備的配置空間，必須先查找該設(shè)備。查找的過程如下： 用I/O命令寫配置空間的地址寄存器CF8H，使其最高位為1，總線號(hào)及設(shè)備為0，功能號(hào)及寄存器號(hào)為0，即寫入0x80000000H；然后用I/O命令讀取配置空間的數(shù)據(jù)寄存器CFCH。如果該寄存器值與該P(yáng)CI設(shè)備的設(shè)備號(hào)/總線號(hào)不相符，則依次遞增設(shè)備號(hào)及總線號(hào)，重復(fù)上述操作直到找到該設(shè)備為止。對(duì)于多功能設(shè)備，只要設(shè)備配置寄存器相應(yīng)的功能號(hào)值，其余步驟與單功能設(shè)備一樣,在本設(shè)計(jì)中PCI板卡為單功能設(shè)備。 調(diào)用函數(shù)FindDevice，如果返回值為 0，則沒有找到該P(yáng)CI設(shè)備。如果返回值為1，則找到了該P(yáng)CI設(shè)備

12、。程序中的Inport和Output是設(shè)計(jì)者用486匯編語(yǔ)言構(gòu)造的函數(shù)，可以對(duì)I/O口進(jìn)行32位讀寫。3.3 板卡數(shù)據(jù)讀寫 通過對(duì)PCI基地址寄存器寫控制字,可以將板卡上的地址映射到IO空間。在PCI所有的基地址寄存器中，位0是只讀的，用來(lái)區(qū)分該寄存器存放的數(shù)據(jù)類型：為0表示存放的是存儲(chǔ)器基地址，為1表示存放的是IO基地址。我們的設(shè)計(jì)中，是將PCI基地址映射到了IO空間。在VC+中調(diào)用已構(gòu)造的32位Inport和Output函數(shù)可直接對(duì)板卡的I/O地址進(jìn)行操作。 在VC+中生成動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)后,利用LabView功能模板中“Advanced”子模板里的“調(diào)用庫(kù)函數(shù)”結(jié)點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行調(diào)用,即可生成基于PCI接口的虛擬儀器的驅(qū)動(dòng)軟件。4 結(jié)語(yǔ) 本文使用LabView軟件和VC+編輯的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)開發(fā)基于PCI接口的虛擬儀器軟件的方法，在PCI總線接口的軟件設(shè)計(jì)方面做了一定的研究和探討工作，為今后PCI總線接口的開發(fā)提供一些思路和方法。雖然PCI總線接口規(guī)范已經(jīng)接近于成熟，但對(duì)于