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)分時復用8-bit總線，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。若再使能一條總線時鐘信號（共13條信號），就可實現(xiàn)高達10MB/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、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(shù)據(jù)讀寫。第二部分介紹由應用程序啟動基于DMA的數(shù)據(jù)塊讀寫。采用DMA方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(fā)DMA數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ǎ摲椒ㄖ饕嫦?a target="_blank">工業(yè)控制領域的高速數(shù)據(jù)采集。由于采用硬件觸發(fā)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(shù)據(jù)緩沖，從而使采集單元的成本大幅度下降。該方法可實現(xiàn)高達5MB/s（每秒5兆字節(jié)）以上的數(shù)據(jù)采集率。

ISA總線信號定義如下：

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(qū)動程序支持應用程序使用不同的地址范圍，來區(qū)別不同的訪問類型。根據(jù)ISA地址可有如下6種類型：

ISA總線的異步總線周期是指每個總線周期讀寫一個字節(jié)，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(xiàn)一個總線周期讀寫4個字節(jié)。在《在英創(chuàng)工控主板上實現(xiàn)高速工控數(shù)據(jù)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：

同步總線周期主要用于數(shù)據(jù)的高速傳送，因此采用固定數(shù)據(jù)端口。數(shù)據(jù)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(nèi)各寄存器的控制。

采用DMA進行ISA總線數(shù)據(jù)傳送的目的，是為了降低高速傳送大量數(shù)據(jù)時的CPU開銷，使系統(tǒng)在進行高速數(shù)據(jù)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(huán)境中，其他線程即可在DMA執(zhí)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(fā)DMA，為低成本實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)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?qū)崿F(xiàn)。

表格中的offset項，是指在程序設計中使用的數(shù)據(jù)結構struct isa_transfer的成員，其結構如下：

每一個總線周期的操作只能是讀或?qū)?，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：

函數(shù)isa_open(..)和isa_close(..)是打開關閉ISA驅(qū)動的設備節(jié)點。為了提高應用程序訪問ISA硬件寄存器的速度，ISA驅(qū)動實現(xiàn)了mmap功能，使isa_read(..)、isa_write(..)、isa_read16(..)和isa_write16(..)這4個函數(shù)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(zhí)行速度。注意若在多個線程中均有調(diào)用isa_api_v3.cpp的函數(shù)時，需要加互斥鎖，保證對硬件資源操作的完整性。

CPU字節(jié)/字讀寫

函數(shù)isa_write(fd, 0x40, 0x55)是向地址為0x40的寄存器寫入單個字節(jié)0x55，對應的總線時序為：

時序圖顯示了8位總線的地址/數(shù)據(jù)復用，地址需利用ADV#信號鎖存。

函數(shù)isa_read(fd, 0x40)是從地址為0x40的寄存器讀取單個字節(jié)，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(shù)據(jù)時段總線繼續(xù)保持前面輸出的地址0x40，讀取的數(shù)據(jù)也會是0x40。若此時有外圍設備輸出數(shù)據(jù)至總線上，該數(shù)據(jù)則會被系統(tǒng)讀取。

函數(shù)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(shù)據(jù)寫被分成兩個連續(xù)的總線周期，其中低位字節(jié)0x55寫入地址0x40寄存器，高位字節(jié)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(shù)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(shù)據(jù)會是0x4140。

CPU數(shù)據(jù)塊讀寫

為了提高數(shù)據(jù)傳輸速度，對數(shù)據(jù)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(jié)。為了進一步加快數(shù)據(jù)塊的傳送，在驅(qū)動中使用了ARMv7的匯編塊指令來支持16字節(jié)以上的數(shù)據(jù)傳輸。因此強烈建議數(shù)據(jù)塊傳輸長度選擇為16字節(jié)的整倍數(shù)，其數(shù)據(jù)端口占用16個ISA地址，即只對高4位地址譯碼。

進行數(shù)據(jù)塊讀寫需要用到structisa_transfer傳遞相關參數(shù)。以下是執(zhí)行32字節(jié)數(shù)據(jù)塊寫的代碼，寫入地址為0x3040。順序的數(shù)據(jù)可方便時序的觀察。

對應的總線時序說明如下：

上圖可見，32個字節(jié)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(shù)據(jù)0x55、0x59、…... 0x6D、0x71是每個總線周期CPU送出的第一個數(shù)據(jù)，保持3個時鐘節(jié)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(jù)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(xù)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(huán)。因此要求數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，連續(xù)4個數(shù)據(jù)。沒有BCLK時輸出的數(shù)據(jù)沒有意義，不影響正常的數(shù)據(jù)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(chuàng)公司技術聯(lián)系，索取測試代碼源碼。技術支持郵箱：support@emtronix.com。