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ISA總線簡介

英創(chuàng)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。英創(chuàng)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(shù)據(jù)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，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(xiàn)高達12MB/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、ESM335x等多款型號中均有配置。英創(chuàng)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(shù)據(jù)總線，LSB
E3	ISA_D1，地址數(shù)據(jù)總線
E4	ISA_D2，地址數(shù)據(jù)總線
E5	ISA_D3，地址數(shù)據(jù)總線
E6	ISA_D4，地址數(shù)據(jù)總線
E7	ISA_D5，地址數(shù)據(jù)總線
E8	ISA_D6，地址數(shù)據(jù)總線
E9	ISA_D7，地址數(shù)據(jù)總線
E10	ISA_RDn，數(shù)據(jù)讀控制信號
E11	ISA_WEn，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

ISA總線的數(shù)據(jù)傳輸由ISA_BLOCK_INFO數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(jié)長度

dwDataPortOfs

ISA端口地址。ISA總線驅(qū)動程序支持應(yīng)用程序使用不同的地址范圍來區(qū)別不同的操作模式，根據(jù)ISA端口地址可實現(xiàn)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(shè)置為0
0x4000...0x40FF	同步總線周期，DMA方式傳輸，dwInc需要同時設(shè)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(shù)據(jù)的傳輸，比如控制命令、配置數(shù)據(jù)讀寫等。

DMA方式傳輸可在較低CPU開銷的情況下實現(xiàn)大批量數(shù)據(jù)的高速傳輸，DMA方式傳輸要求傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長度dwDataLength為32的整倍數(shù)、同時需要將dwInc設(shè)置為0，否則驅(qū)動程序會使用CPU方式進行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)端口地址，在CPLD/FPGA內(nèi)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(shè)置為0來固定數(shù)據(jù)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(shè)置為0，在進行DMA數(shù)據(jù)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(jié)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(yīng)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(jié)構(gòu)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(qū)動API函數(shù)和內(nèi)存映射兩種方式來實現(xiàn)。

驅(qū)動API訪問是指應(yīng)用程序直接調(diào)用設(shè)備驅(qū)動API函數(shù)WriteFil/ReadFile進行字/字節(jié)的總線讀寫。ISA總線周期通常在200ns左右，而應(yīng)用程序調(diào)用一次設(shè)備驅(qū)動程序API花費的時間卻需要數(shù)微秒的時間，這顯然大大降低了總線單字（或單字節(jié)）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(shù)，在ISA驅(qū)動程序中實現(xiàn)了，在使用ISA總線的應(yīng)用進程地址空間內(nèi)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(xiàn)了在WinCE應(yīng)用程序中可以直接訪問ISA總線的外設(shè)地址空間，即內(nèi)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1ESM335x / 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?？梢钥吹絻?nèi)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(jié)訪問可以使用內(nèi)存映射方式訪問，而對于成批量數(shù)據(jù)的讀寫應(yīng)該使用DMA方式進行傳輸。

圖2ESM7000 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
#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?yún)?shù)
&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(nèi)存映射方式訪問時，若在多個線程中均有調(diào)用字或字節(jié)讀寫函數(shù)(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(qū)動API調(diào)用的讀寫函數(shù)，在驅(qū)動內(nèi)部已經(jīng)增加了互斥操作，應(yīng)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(jù)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(xù)11個BCLK下降沿后同步周期結(jié)束。

●每個同步周期傳輸8個字節(jié)有效數(shù)據(jù)，ISA總線從BCLK第5個上升沿開始鎖存數(shù)據(jù)，連續(xù)讀8個字節(jié)。

●ISA總線雖然輸出了ADDR地址數(shù)據(jù)，但這個地址是不固定的，ISA擴展單元應(yīng)該忽略此地址數(shù)據(jù)。

ISA同步總線周期寫時序

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(xù)11個BCLK下降沿后同步周期結(jié)束。

●每個同步周期傳輸8個字節(jié)有效數(shù)據(jù)，ISA擴展單元應(yīng)從BCLK第5個上升沿開始鎖存數(shù)據(jù)，連續(xù)8個字節(jié)。

●ISA總線雖然輸出了ADDR地址數(shù)據(jù)，但這個地址是不固定的，ISA擴展單元應(yīng)該忽略此地址數(shù)據(jù)。

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