精簡ISA總線Linux編程 – Part1
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，加上4條總線控制信號，即可實現對外部數據的快速讀寫。若再使能一條總線時鐘信號（共13條信號），就可實現高達10MB/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、ESM7100、ESM335x等多款型號中均有配置。
對精簡ISA總線接口的應用編程，將通過3個部分分別加以介紹。本文是第一部分，主要介紹ISA總線的訪問模式，以及最基本的總線數據讀寫。第二部分介紹由應用程序啟動基于DMA的數據塊讀寫。采用DMA方式實現數據庫讀寫，可有效降低CPU的負載率。第三部分介紹ISA擴展硬件觸發DMA數據傳輸的方法，該方法主要面向工業控制領域的高速數據采集。由于采用硬件觸發的DMA傳輸機制，使得前端的高速AD單元不再采用昂貴的高速SRAM做數據緩沖，從而使采集單元的成本大幅度下降。該方法可實現高達5MB/s（每秒5兆字節）以上的數據采集率。
ISA總線信號定義如下：
| 信號及說明 | PIN# | 信號及說明 | |
| RESET_B，硬件復位 | 1 | 2 | ISA_ADVn，地址鎖存控制信號 |
| ISA_AD0，地址數據總線，LSB | 3 | 4 | ISA_AD4，地址數據總線 |
| ISA_AD1，地址數據總線 | 5 | 6 | ISA_AD5，地址數據總線 |
| ISA_AD2，地址數據總線 | 7 | 8 | ISA_AD6，地址數據總線 |
| ISA_AD3，地址數據總線 | 9 | 10 | ISA_AD7，地址數據總線，MSB |
| MSLn，支持多模塊掛接總線 | 11 | 12 | ISA_WEn，數據寫控制信號 |
| GPIO9，可選作為IRQ | 13 | 14 | ISA_RDn，數據讀控制信號 |
| GPIO8，可選作為IRQ | 15 | 16 | ISA_CSn，片選控制信號 |
| GPIO25，可選作為IRQ | 17 | 18 | VDD_5V0，+5V供電 |
| GPIO24 / ISA_BCLK，同步時鐘ISA_BCLK | 19 | 20 | GND，電源信號地 |
本文以下部分，將以ESM7000 Linux平臺為例，介紹具體的編程方法。
ISA總線操作模式
精簡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總線的驅動程序支持應用程序使用不同的地址范圍，來區別不同的訪問類型。根據ISA地址可有如下6種類型：
| 模式 | offset | ISA總線操作 |
| 0 | 0x0000 … 0x00FF | 異步總線周期，CPU操作 |
| 1 | 0x1000 … 0x10FF | 異步總線周期，MemCpy方式DMA，固定端口地址 |
| 2 | 0x2000 … 0x20FF | 異步總線周期，外部信號觸發方式DMA，固定端口地址 |
| 3 | 0x3000 … 0x30FF | 同步總線周期，CPU操作，要求ISA端口地址16字節對齊 |
| 4 | 0x4000 … 0x40FF | 同步總線周期，MemCpy方式DMA，同步譯碼端口 |
| 5 | 0x5000 … 0x50FF | 同步總線周期，外部信號觸發方式DMA，同步譯碼端口 |
ISA總線的異步總線周期是指每個總線周期讀寫一個字節，只需用到ISA最基本的12條信號線；而同步總線周期則需要使用總線時鐘信號（共13條信號線），可實現一個總線周期讀寫4個字節。在《在英創工控主板上實現高速工控數據采集》一文中有對異步總線周期時序和同步總線周期時序較詳細的介紹。
由iMX7DSDMA（Smart DMA）控制器特性決定，ESM7000可支持的ISA總線操作類型如下：
| 模式 | offset | ISA總線讀操作 |
| 0 | 0x0000 … 0x00FF | 異步總線周期，CPU讀，inc僅對本模式有效 |
| 3 | 0x3000 … 0x30FF | 同步總線周期，CPU讀，要求ISA端口地址16字節對齊 |
| 4 | 0x4000 … 0x40FF | 同步總線周期，MemCpy方式DMA讀，同步譯碼端口 |
| 5 | 0x5000 … 0x50FF | 同步總線周期，外部信號觸發方式DMA讀，同步譯碼端口 |
| 模式 | offset | ISA總線寫操作 |
| 0 | 0x0000 … 0x00FF | 異步總線周期，CPU寫，inc僅對本模式有效 |
| 3 | 0x3000 … 0x30FF | 同步總線周期，CPU寫，要求ISA端口地址16字節對齊 |
| 4 | 0x4000 … 0x40FF | 同步總線周期，MemCpy方式DMA寫，同步譯碼端口 |
同步總線周期主要用于數據的高速傳送，因此采用固定數據端口。數據端口的譯碼則采用直接識別同步總線周期的方法，而不再采用對總線地址譯碼的方法。異步總線周期則主要用于擴展電路單元內各寄存器的控制。
采用DMA進行ISA總線數據傳送的目的，是為了降低高速傳送大量數據時的CPU開銷，使系統在進行高速數據采集的同時，還能進行其他的必要操作。MemCpy方式的DMA是指軟件線程啟動DMA，然后該線程掛起等待DMA操作完成。在多線程環境中，其他線程即可在DMA執行過程中得以并行運行。MemCpy方式DMA的具體情況將在《精簡ISA總線編程– Part 2》中介紹。硬件觸發DMA，為低成本實現高速數據采集提供了技術手段，將在《精簡ISA總線編程– Part 3》中介紹相關的采集時序和程序實現。
表格中的offset項，是指在程序設計中使用的數據結構struct isa_transfer的成員，其結構如下：
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 */
};每一個總線周期的操作只能是讀或寫，因此在isa_transfer結構中只能有一個buffer指針不為NULL。
ISA總線訪問API
對ISA總線硬件端口的基本訪問方法，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isa_open(..)和isa_close(..)是打開關閉ISA驅動的設備節點。為了提高應用程序訪問ISA硬件寄存器的速度，ISA驅動實現了mmap功能，使isa_read(..)、isa_write(..)、isa_read16(..)和isa_write16(..)這4個函數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行速度。注意若在多個線程中均有調用isa_api_v3.cpp的函數時，需要加互斥鎖，保證對硬件資源操作的完整性。
CPU字節/字讀寫
函數isa_write(fd, 0x40, 0x55)是向地址為0x40的寄存器寫入單個字節0x55，對應的總線時序為：
時序圖顯示了8位總線的地址/數據復用，地址需利用ADV#信號鎖存。
函數isa_read(fd, 0x40)是從地址為0x40的寄存器讀取單個字節，對應的總線時序為：
在上述時序中，ISA總線懸空，沒有接具體的外圍設備，因此由于分布電容的作用，在數據時段總線繼續保持前面輸出的地址0x40，讀取的數據也會是0x40。若此時有外圍設備輸出數據至總線上，該數據則會被系統讀取。
函數isa_write16(fd, 0x40, 0xaa55)是向地址為0x40的字寄存器寫入16-bit字0xaa55，對應的總線時序為：
從時序圖可見，16-bit數據寫被分成兩個連續的總線周期，其中低位字節0x55寫入地址0x40寄存器，高位字節0xaa寫入地址0x41寄存器。為了盡可能縮短2個周期的間隔，要求地址必須是偶對齊。
函數isa_read16(fd, 0x40)是從地址為0x40的字寄存器讀取16-bit字，對應的總線時序為：
同樣由于懸空總線的分布電容的作用，讀取的數據會是0x4140。
CPU數據塊讀寫
為了提高數據傳輸速度，對數據塊操作，推薦采用同步總線周期。在ESM7000 Linux版本中，每個同步總線周期可傳送4個字節。為了進一步加快數據塊的傳送，在驅動中使用了ARMv7的匯編塊指令來支持16字節以上的數據傳輸。因此強烈建議數據塊傳輸長度選擇為16字節的整倍數，其數據端口占用16個ISA地址，即只對高4位地址譯碼。
進行數據塊讀寫需要用到structisa_transfer傳遞相關參數。以下是執行32字節數據塊寫的代碼，寫入地址為0x3040。順序的數據可方便時序的觀察。
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); 對應的總線時序說明如下：
上圖可見，32個字節分成了8個總線周期完成，大致的總線速率為13MB/s。展開上述時序可看到：
總線上的數據0x55、0x59、…... 0x6D、0x71是每個總線周期CPU送出的第一個數據，保持3個時鐘節拍，所以可在示波器中顯示出來。進一步展開可看到：
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寫邏輯電路，其要點包括：
● 每個周期的第一個BCLK下降沿ADV#有效，標志同步周期的開始，之后連續7個BCLK下降沿后同步周期結束。
● 第一個總線周期地址為輸入地址，之后每個總線周期的地址+4，按16模循環。因此要求數據端口占用16個ISA地址。
● BCLK頻率30MHz，從第5個上升沿開始鎖存數據，連續4個數據。沒有BCLK時輸出的數據沒有意義，不影響正常的數據傳輸。
以上是對精簡ISA總線基本讀寫的介紹，有興趣的客戶可與英創公司技術聯系，索取測試代碼源碼。技術支持郵箱：support@www.jsjflaw.com。