1 前言

当前，随着计算机技术的飞速发展，对于高速、高性能板卡的需求越来越大。曾在工控机中广泛应用的ISA总线逐渐被淘汰。相比之下，PCI总线作为一种高性能的局部总线，具有兼容性好，传输速度高，不受处理器限制以及支持“即插即用”(Plug＆Play)等优点，正逐步取代ISA总线而广泛应用于PC机和工控机中。在今后相当长的一段时间内，开发应用基于PCI总线的扩展板卡将显得尤为重要。

Windows操作系统和DOS操作系统是目前在工控机中使用较多的两种操作系统，有着各自的优缺点。

Windows操作系统虽具有多任务多线程的特点，但由于他采用消息传递机制，虽能实时响应外部事件，但其处理并不是实时的。

虽然可以通过对底层模块进行修改，使其能够实时处理外部事件，但会给系统的稳定性、健壮性带来不良的影响。

相比之下，DOS是一种单任务的操作系统，对硬件资源要求较少，实时性也较好，在DOS下的开发工具已经相当成熟，而且DOS内核已公开，可免费使用。

基于上述考虑，在一些对于系统实时性、可靠性要求比较高的的场合，如在电力系统自动化领域中的微机保护，故障录波等系统中，仍然采用DOS作为其软件开发平台。

2 PCI板卡的访问

一般来说，PCI板卡都可以分为2个部分：数据处理部分和PCI接口部分。数据处理部分一般完成信号的获取、分析及处理等操作，而PCI接口部分则完成计算机与数据处理部分之间的数据传递。在计算机系统上电时，通过固化在BIOS中的POST(PowerOn SelfTest)程序自动检测PCI总线，确定PCI总线上的设备及其配置要求，为各板卡分配相应的内存空间、I／O空间以及中断等。为了完成对PCI板卡的访问，首先必须读取PCI板卡的配置空间，以获取一系列的配置信息．如设备ID、制造商ID和内存映射或I／O映射的基地址等。然后，通过获得的基地址，采用下文所述的方法就可以对PCI板卡局部空间的数据进行读写操作。

2．1 配置空间的访问

PCI协议定义了3种地址空间：配置空间，I／O空问和存储器空问。配置空间是PcI所特有的，他提供了一个合适的配置设备的集合，使其能满足当前和未来的系统配置特性的需要，他为所有的PCI设备提供了系统软件可以利用的功能，可以通过访问他来进行自动配置，这极大地增强了PCI设备的灵活性。一个PCI设备可以包含一个或多个(最多8个)独立的PCI功能(即逻辑设备)，PCI配置空间分为PCI设备中包含的每一个功能的独立的、指定的配置地址空间。每个PCI功能都应具有64个配置双字用于实现配置寄存器。其中前64个字节为头标区，后面的192个字节为设备相关信息。在头标区中，前16个字节的定义是确定的，后48个字节的具体含义因设备而异，具体说明如表1所示。

在DOS下对配置空间的访问办法有2种：

方法一，通过读写32 bit PCI配置地址端口0xCF8和PCI配置数据端口OxCFC来进行访问。

配置地址端口OxCF8的信息格式如表2所示。其中，使能位为“1”时表示使能。保留位为“0”。总线号为0～255，设备号为O～31，功能号为0～7，寄存器号用于选择目标功能配置空间的一个双字寄存器。

表1 配置空间头标区的结构：

表2 配置地址寄存器0xcF8的信息格式：

31    30   24     23   16   15     11    lO   9      8    7      2    l    0

访问特定的PCI功能设备的配置空间一般分为以下几个步骤：

首先，按照端口0xCF8的信息格式，组成相应的配置字，写入端口OxCF8中。然后通过读取端口0xCFC，得到每个功能设备配置空问中相应的寄存器内容。接着，由读出的配置空间中设备ID和制造商ID与指定的功能设备的设备ID和制造商ID相比较。

若不匹配则重复进行上述操作直到匹配为止。

最后，由获得的相应的总线号、设备号以及功能号，通过读写端口OxCF8和0xCFC就可以访问特定板卡的配置空间了。

下面给出一个通过PCI配置寄存器0xCF8和OxCFC来查找特定PCI板卡的函数。

程序采用BC++3.1编写，PCI接口芯片采用PLX公司的PCI9052，设备ID为0x9050，制造商ID为Ox10B5，使用寄存器号为0x00。

由于BCC+ 3.1中不提供一次读写32 bit数据的端口函数，故用嵌入汇编的方法编写了两个32 bit读写数据的函数outpd()，inpd()。

int scan_pci()
{
bus=0;device=0; //bus为总线号、device为设备号
for(char i=O;i<5;i++)
{
for(char j=O;j<32;j++)
{
bus=I;device=j;
port_in=Ox80000000+bus*0x10000十(device*8)*0x100l; //组成配置字
outpd(Oxcf8，port_in); //写配置字蓟配置地址寄存器0xCF8
port_out=inpd(Oxcfc);//读取配置数据寄存器0xCFC
if(port_out==Ox905010b5);//配置寄存器中设备ID和制造商ID是否与PCI设备的相符
return 0;//找到PCI设备
}
}
return一1; //未找到PCI设备
}

方法二，通过BIOS中断来进行访问。

中断号为0xlA，所用到的子功能号为0xB102(查找设备)和0xB10A(读设备配置空间)。

通过调用子功能0xBl02查找设备的总线号，设备号和功能号，然后根据相应的寄存器号，通过调用子功能0xBlOA读取相应的配置信息，从而完成配置空间

的访问。

2．2 局部空间的访问

在完成对PCI设备配置空间的访问之后，可以得到PCI设备I／O映射或内存映射的基地址，通过这个基地址就可以对PCI设备的局部空间进行访问。

(1) 通过I／O映射的方式进行访问的方法

在DOS下，由于系统未对计算机端口的访问做出任何限制，所以可以使用一般的I／O指令或函数，如BC++3.1中的inportb和outportb等，来进行I／O端口的读写。这些操作方便简单，在一般的场合可以很好地满足要求，但是由于x86系列I／O空间最大为64K，其中有一部分为系统占用或保留，一部分为其他板卡所占用，剩下的空间有限，若PCI设备需要大量映射数据，则需要采用内存映射的方式。

(2) 通过内存映射的方式进行访问的方法

在一般情况下，都是在DOS实模式下开发应用程序的，这样不能有效的应用内存资源，只能对1 MB以内的常规内存进行访问，然而PCI设备的内存映射又是由系统自动完成的，既可能映射在1 MB以内，也可能映射到1 MB以外。采用一般实模式的访问方法就存在着一定的局限性，为了克服这种局限性，可以通过在DOS程序中嵌人保护模式程序段的方法，完成在DOS实模式下对4 GB内存空间的直接访问。

为了完成在DOS实模式下对4 GB内存空间的直接访问，有必要深入了解DOS的实模式、保护模式以及在这2种模式下的寻址方式。在DOS实模式下，可以通过执行类似“MOV AX，[ESI]”的指令，来进行间接寻址操作访问内存空间，但由于ESI的内容必须在0～FFFFH范围内，使其寻址范围受到了限制。要扩大其寻址范围就必须扩大段描述符高速缓冲寄存器中的界限值。但CPU在实模式下不能改变这些界限值。必须在保护模式下完成该操作。因此必须从实模式切换到保护模式中，通过向相应的段寄存器写入相应的选择字SEL，装载由SEL对应的具有4 GB界限的段描述符到段描述符高速缓冲寄存器中去，然后返回到实模式下，由于段描述符高速缓冲寄存器的内容不发生变化，CPU就可以通过32 bit寄存器间接寻址操作来实现4GB内存的访问。

下面给出了进出保护模式，设置4 GB段界限的子函数，使用BC++3.1中嵌入汇编的方式编写。在主程序中调用这个子函数后，就可以用间接寻址操作来实现4 GB内存的访问了。

unsigned long GDT_Table[]= //全局描述符表GDT
{0,O, //选择字0h，NULL，保护模式下系统要求
Ox0000FFFF，0x008F9200};／／选择宇8H，基址0，界限值4G-1
unsigned char GDT_Addr[6]={0};//存放GDT的基地址和长度
void LoadDSLimit4G()
{
Asm{
cli //清中断
push ds //将DS压人堆栈
push es //将ES压入堆栈
mov word ptr GDT_Addr[0],(2*8-1)//存入GDT的长度
mov eax,dsshl eax,4 //段地址左移4 b
mov ebx,0 //ebx清零
mov bx，offset GDT_Table //GDT的偏移地址
add eax，ebx //GDT的线性地址
mov dword ptr GDT_Addr[2]，eax //存人GDT的线性地址
1gdt fword ptr GDT_Addr //重新调入GDT
mov bx，8 //设置数据段描述符的选择字
mov eax，cr0 //取出cr0寄存器的值
or eax,1
mov cr0,eax //进入保护模式
mov es,bx //ES重载数据段描述符
mov ds,bx // ES重载数据段描述符
and eax,0fffffffeh
mov crO,eax //返回实模式
pop es
pop ds
sti //开中断
}
}

3 结语

我们开发了一种基于PCI总线的GPS同步时标卡。该卡的PCI接口部分采用PLX公司的PCI9052接口芯片。

该卡使用了PCI9052的局部地址空间0，采用内存映射方式，分配了2K地址空间，可映射于内存空间的任何地方。该卡应用在电力系统故障录波采集站中，采集站采用的是D0S6.22操作系统。当电力系统发生故障时，采用本文介绍的方法，录波装置可从PCI板卡上读取200 us的时间刻度作为故障发生的精确时刻。