CN101458671A - 外设访问控制方法、装置与系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种外设访问控制方法、装置与系统，所述方法包括：接收处理器发出的控制信号；当所述控制信号为对外设的操作命令时，禁止所述处理器发出下一操作命令；接收所述外设发出的响应信号；当所述响应信号为操作完成信号时，允许所述处理器发出下一操作命令。该方法通过实时监测外设的工作状态来控制所述处理器对多个外设的访问，解决了系统总线对多个不同速率外设进行访问时效率不高的问题，当系统总线下接有多个不同速率的外设时，可以动态调节访问速率，保持较高的访问效率。

Description

外设访问控制方法、装置与系统

技术领域

本发明关于通信技术领域，特别关于一种外设访问控制方法、装置与系统。

背景技术

PowerPC是二十世纪九十年代由IBM(国际商用机器公司)、Apple(苹果公司)和Motorola(摩托罗拉)公司联合开发的处理器。现属于前身为摩托罗拉半导体的Freescale(飞思卡尔)半导体公司。PowerPC应用于通信、工控以及各类消费电子产品等多个领域，是通信设备中运用最多的处理器，在通信领域中具有十分重要的地位。

总线是指通过分时复用的方式，将信息从一个或多个源部件传送到一个或多个目的部件的一组传输线，是芯片间传输数据的公共通道。系统总线指连接微处理器和外围器件的并行总线。系统总线按照不同功能可分为数据总线、地址总线和控制总线。数据总线用于传送数据信息，是双向的总线，即可把微处理器的数据传送到外围器件，也可将外围器件的数据传送到微处理器。地址总线专门用来传送地址，由于地址只需从微处理器传向外围器件，所以地址总线总是单向的。控制总线用来传送控制信号和时序信号。

控制信号中，有的是微处理器送往外围器件的，如读/写信号，片选信号、复位信号等，实现对想要操作的芯片的选择，表明对其的操作是读或写，对需要操作的芯片的复位等功能；也有外围器件反馈给微处理器的，如中断请求信号。芯片的时序体现了具体活动内容的先后关系，对芯片的操作需要严格的遵守芯片资料上的时序图所规定的时序关系。满足时序关系时，芯片才能正常的被操作。

UPM(用于可编程机器，User Programmable Machine)总线是PowerPC中一种可对外部设备进行访问的系统总线。它的特点是可以由用户通过软件定制总线的控制时序来初始化其外部引脚，以达到对多种外部设备进行灵活控制的目的。UPM的控制总线中有一条可通过寄存器设置启用的名为UPMWAIT的控制线。它的作用是：在PowerPC发起的一次读写操作时，在其有效的情况下，UPM的控制总线状态保持不变(UPM状态锁定)，此时将维持该外设当前的工作状态，处理器不会对其发起下一次操作指令；直到UPMWAIT无效的时候这种保持不变的状态才解除(UPM状态解除)，此时处理器可以继续对该外设发起下一次操作指令。

CPLD(Complex Programmable Logic Device)为复杂可编程逻辑器件，用户可以根据各自需要采用CPLD自行构造逻辑功能的数字集成电路，其基本设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言(一种用软件的方式描述电路结构的语言)等方法生成相应的目标文件，通过下载电缆将代码烧写到CPLD中，实现设计的数字系统的功能。CPLD有很多的I/O引脚，可被约束为输入、输出或双向，由硬件描述语言根据实际使用情况任意定义。

状态机由多种状态和连接这些状态的转换条件组成。当某一个条件满足时，它会触发状态之间的转换，导致状态机从一种状态转化到另一种新的状态，并且在每种状态下都可以具有相应的动作。

现有技术中，在仅使用UPM总线对一个外设进行访问的时候，可以利用其UPMWAIT功能达到对器件的灵活控制，但在现在电子电路设计中，集成度越来越高，功能越来越多样化，很多时候处理器需要通过总线对多个不同类型的外围设备进行访问控制。大部分总线对设备在总线上运行的速率在其规范中有明确的规定，如最常见的PCI总线就固定运行在33Mhz或66Mhz下，要求外部设备符合其定义的规范。UPM总线为了达到对多种外设进行灵活控制的目的，对外设没有具体要求，而是通过改变自身的控制时序去主动适应外围设备，这样做可以达到为更为广泛的设备提供支持的目的。

连接在UPM总线下的各类设备的接口速率差别可能很大，为了满足低速设备的时序要求，实现对其正常的访问，就不得不降低总线访问速率。但这样做时，高速设备虽然仍能得到正确的控制信号，能被正常操作，但因高速设备很快就能完成CPU所要求的操作，大部分时候高速设备都是在等待CPU的下一个操作命令，对高速设备的访问效率就大大的降低了。

发明内容

为了解决现有技术中的缺陷，本发明实施例的目的是提供一种外设访问控制方法、装置与系统。该方法对外设的工作状态进行实时监视，在外设正在进行当前操作时禁止处理器发出下一操作命令，当外设完成一次操作时及时将该状态反馈给处理器，并触发处理器发出下一操作命令，这种方式避免了对所有外设采用统一的访问速率导致的高速设备等待低速设备的问题。

为实现以上发明目的，本发明实施例提供一种外设访问控制方法，所述方法包括：接收处理器发出的控制信号；当所述控制信号为对外设的操作命令时，禁止所述处理器发出下一操作命令；接收所述外设发出的响应信号；当所述响应信号为操作完成信号时，允许所述处理器发出下一操作命令。

为实现以上发明目的，本发明实施例还提供一种外设访问控制装置，所述装置包括：控制信号接收单元，用于接收处理器发出的控制信号；外设信号接收单元，用于接收所述外设发出的响应信号；处理器控制单元，用于当所述控制信号为对所述外设的操作命令时，禁止所述处理器发出下一操作命令；当所述响应信号为操作完成信号时，允许所述处理器发出下一操作命令。

为实现以上发明目的，本发明实施例还提供一种外设访问控制系统，所述系统包括：处理器、与所述处理器连接的多个外设以及连接所述处理器和所述多个外设的外设访问控制装置；所述外设访问控制装置包括：控制信号接收单元，用于接收所述处理器发出的控制信号；外设信号接收单元，用于接收所述外设发出的响应信号；处理器控制单元，用于当所述控制信号为对所述外设的操作命令时，禁止所述处理器发出下一操作命令；当所述响应信号为操作完成信号时，允许所述处理器发出下一操作命令。

为实现以上发明目的，本发明实施例还提供一种外设访问控制系统，所述系统包括：处理器，连接所述处理器的多个外设，以及连接所述处理器和所述多个外设的外设访问控制装置；所述处理器的地址线、数据线和控制线分别与每个外设连接，所述处理器的控制线还连接所述访问控制装置，每个外设的响应信号线连接所述外设访问控制装置，所述外设访问控制装置连接所述处理器的访问控制管脚；所述外设访问控制装置包括：控制信号接收单元，用于接收所述处理器发出的控制信号；外设信号接收单元，用于接收所述外设发出的响应信号；处理器控制单元，用于当所述控制信号为对所述外设的操作命令时，将所述处理器的访问控制管脚设置为有效以禁止所述处理器发出下一操作命令；当所述响应信号为操作完成信号时，将所述处理器的访问控制管脚设置为无效以允许所述处理器发出下一操作命令。

本发明实施例的方法通过实时监测外设的工作状态来控制所述处理器对多个外设的访问，解决了系统总线对多个不同速率外设进行访问时效率不高的问题。当系统总线下接有多个不同速率的外设时，处理器在接收到当前访问的外设发送的操作完成信号时即发起下一次操作命令，这种处理方式使处理器对高速率外设采用较高的访问速率，对低速率外设采用较低的访问速率，使访问速率能够根据外设速率进行动态调节，在系统总线连接有多个不同速率的外设时能够保持较高的访问效率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1为本发明实施例的系统原理图；

图2为本发明实施例的外设访问控制方法流程图；

图3为本发明实施访问控制系统的实际原理图；

图4为本发明实施例在CPLD中所构建的状态机示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

本发明实施例提供一种外设访问控制方法、装置与系统。本实施例的处理器连接多个不同速率的外设，通过实时监测外设的工作状态来控制处理器对外设的访问：当外设正在进行一项读/写操作时，禁止处理器发出下一操作命令；当外设完成了一项操作时，允许处理器发出下一操作命令。这种方式能够提高处理器对多种不同速率外设的访问效率。以下结合附图对本发明具体实施方式进行详细说明。

图1为本发明实施例的系统原理图。如图1所示，本发明实施例的系统包括处理器10、与所述处理器10连接的多个外设20以及连接所述处理器10和所述多个外设20的外设访问控制装置30。所述外设访问控制装置30包括：控制信号接收单元301，用于接收所述处理器发出的控制信号；外设信号接收单元302，用于接收所述外设发出的响应信号；处理器控制单元303，用于当所述控制信号为对所述外设的操作命令时，禁止所述处理器发出下一操作命令；当所述响应信号为操作完成信号时，允许所述处理器发出下一操作命令。

在本实施例的一具体实施方式中，处理器控制单元303通过设置处理器10的访问控制管脚来禁止或允许所述处理器10发出下一操作命令。访问控制管脚因处理器类型的不同而有所区别。如，PowerPc处理器中的的UPMWAIT就可以实现对外设的访问控制。在PowerPC发起的一次读/写操作时，该管脚有效时UPM的控制总线状态保持不变(UPM状态锁定)，此时将维持该外设当前的工作状态，处理器不会对其发起下一次操作命令；直到UPMWAIT无效时这种保持不变的状态才解除(UPM状态解除)，此时处理器可以继续对该外设发起下一次操作命令。

在本实施例的又一具体实施方式中，外设的操作完成信号为READY信号。大多数的芯片在接到处理器(CPU)通过控制总线发出的命令准备进行某项操作或已完成某项操作的时候，都会给出一个READY信号，表示自身已经准备好进行CPU所要求的操作或已经完成CPU所要求的操作。如DSP的HRDY信号。各个芯片对这个信号的命名不同，读和写过程中READY信号发出的阶段和意义也可能有区别，但其主要功能都是一样的。

对于无法给出READY信号的低速芯片，本发明实施例的外设访问控制装置30的处理器控制单元303还用于在一等待时间内没有收到所述外设20的响应信号(如READY信号)时，认为其已处理完该操作，此时允许处理器10发出下一操作命令。为了适应不同速率的外设，该外设访问控制装置30还包括：超时等待设置单元(图中未示)，用于根据不同外设的接口速率分别设置不同的等待时间。

图2为本发明实施例的外设访问控制方法流程图。如图2所示：

步骤S201，外设访问控制装置30接收处理器发出的控制信号；

步骤S202，外设访问控制装置30分析接收到的控制信号，判断是否有对外设的片选信号以及读/写操作命令；如果是则进入步骤S203，如果否则返回步骤S201继续接收处理器的控制信号；

步骤S203，如果接收到了对外设的操作命令，则设置处理器的访问控制管脚(如将UPM总线的UPMWAIT管脚设置为有效)使控制总线的状态保持不变，以维持该外设当前的工作状态，禁止处理器发出下一操作命令；

步骤S204，接收外设的响应信号，如READY信号，该响应信号可以提供外设对处理器发出的操作命令的执行状态，接收到READY信号表明外设已经准备好执行该操作或者表明外设已经完成该操作，对不同的外设类型还可能有其他类型的响应信号；

步骤S205，判断是否接收到了外设的操作完成信号，如果收到则进入步骤S207，如果没有收到则进入步骤S206；

步骤S206，如果没有收到响应信号则有可能是该芯片无法提供响应信号，这时为该芯片设置一个等待时间，判断是否到达预设的等待时间；如果到达则进入步骤S207；如果没有则继续返回步骤S204接收外设返回的响应信号；

步骤S207，如果到达预设的等待时间，则判断外设已经完成了该操作，此时允许处理器访问所述外设，即允许处理器对外设发出下一个操作命令。

下面以一个实际的例子来详细说明本发明实施例的具体实现方式。

图3为本发明实施访问控制系统的实际原理图。如图3所示，本实施例的处理器为PowerPc，外设访问控制装置为CPLD，通过在CPLD中构建状态机来实现CPLD的逻辑功能。外设D1、D2以及Dn的READY信号分别引入CPLD，经过CPLD中的状态机判断，在适当的时候输出UPMWAIT信号，对PowerPCUPM总线的UPMWAIT信号进行控制，以实现对不同速率外围设备进行访问时提高访问效率的目的。

图3中PowerPC的UPM总线的控制总线分别与CPLD及所需操作的各个外设芯片相连，这样CPLD和各个外围芯片均能接收到来自PowerPC发出的控制命令。而PowerPC的数据总线和地址总线与各外围芯片连接，满足外围芯片时序要求的情况下，配合控制总线，可将想要写的数据写入外围芯片特定的地址上去或从外围芯片上指定的地址读出想要的值。

图4为本发明实施例在CPLD中所构建的状态机示意图。图4中的状态机分别对读和写的过程进行了控制，可以在CPLD中用硬件描述语言编程实现。以读过程的状态机为例：在没有接到控制指令时状态机保持在IDLE状态下，当CPLD接到读或写的命令后分别进入相应的状态。在接到读的命令后，即进入Read_wait状态，等待设定的时间A，在这段时间中，如果所等待的芯片的READY信号到来，便立即进入Read_nop状态，进行读操作，而当读操作完成，READY信号消失时，进入Read_out状态。在Read_out状态无其他触发条件，经过等待时间C后回到IDLE状态。状态机就经过了一次完整的读流程。

为避免异常状态的出现，需做好逃脱处理，各个状态均设置有等待时间，在等待超时后不管是否有触发条件产生，均进入超时所触发的下一状态，避免状态机在同一状态中一直停滞。如在Read_wait和Read_nop状态等待超过设定时间，均会自动转换到下一状态。

在整个状态机中，UPMWAIT在状态机进入OUT状态(如图4的Read_out或Write_out状态)的时候UPMWAIT管脚无效，UPM状态解除，允许进行下一次访问操作；而在状态机其他状态时UPMWAIT管脚有效，UPM状态锁定，保持当前的操作状态不变。

当对高速设备进行读写操作的时候，高速设备能很快的准备好进行操作或很快的完成操作，发出READY信号，状态机接到READY信号的时候就立即进入下一状态，很快的到达Read_out状态，这时候释放UPMWAIT信号，回到IDLE状态，PowerPC的UPMWAIT信号解除，可以发出下一操作命令，这时就可以继续对外设进行高速的访问，保证了访问的效率。

同样，在低速设备进行访问的时候，由于其处理速率相对较慢，READY信号会过比较久的时间才到来，这时候UPMWAIT信号保持有效，PowerPC发出的命令不会消失，直到等设备完成操作发出READY信号使得状态机进入OUT状态，这时UPMWAIT信号才消失，允许PowerPC发出下一指令。这样就动态的降低了访问速率来满足低速设备的时序要求。达到了对各种速率设备访问都保持较高的访问效率的目的。

芯片在读操作和写操作的时序上可能会在不同的阶段给出READY信号，不同的芯片在时序上也有差别。可以根据具体需要在UPM总线上使用的芯片的时序要求，增加或减少状态机状态数，改变各个状态的等待时间来满足不同的时序要求。对于无法给出READY信号的低速芯片也可以计算等待时间，以等待超时退出来满足其时序要求。

本发明实施例对于多个不同速率外围芯片在UPM总线下访问效率不高的问题提出了一种设计方案。通过利用需要控制的外围芯片的READY信号对UPM总线的UPMWAIT功能进行控制，达到动态调节访问速率从而提高访问效率的目的。具体实施步骤如下：

步骤一：在画硬件原理图的阶段，将各外围芯片连接至UPM总线下，包括数据总线、地址总线和控制总线，并将外围芯片的READY信号管脚分别引入CPLD的各个I/O管脚，将PowerPC的UPMWAIT管脚与CPLD的一根I/O管脚相连。使得CPLD可以对这些信号进行处理。

步骤二：根据各个外围芯片的芯片资料所规定的时序关系和相关技术参数，规划好状态机的各个状态及等待时间，然后用硬件描述语言实现所设计的状态机，烧写入CPLD。

步骤三：调试生成的板卡，保证各速率的外围芯片能被正确访问。测试访问效率能否达到希望的状态。如存在问题，可重复步骤二，分析存在的问题后对状态机进行修改后重新进行测试。

除PowerPC外，其他CPU也有类似UPMWAIT功能的应答信号，均可通过本发明实施例的状态机实现对多个外部芯片进行高效的访问控制，如ARM内核处理器S3C2410的总线控制器部分中的nWAIT引脚，IDT的79RC323系列MIPS内核通信芯片的WAITACKN的引脚等，这些替代的实施方式均在权利要求保护范围之内。

本发明实施例的方法通过实时监测外设的工作状态来控制所述处理器对多个外设的访问，解决了系统总线对多个不同速率外设进行访问时效率不高的问题。当系统总线下接有多个不同速率的外设时，处理器在接收到当前访问的外设发送的操作完成信号时即发起下一次操作命令，这种处理方式使处理器对高速率外设采用较高的访问速率，对低速率外设采用较低的访问速率，使访问速率能够根据外设速率进行动态调节，在系统总线连接有多个不同速率的外设时能够保持较高的访问效率。

本发明实施例可以通过利用PowerPC的UPMWAIT功能来实现对不同速率的外围设备的支持，达到提高访问效率的目的。因为UPM总线可由用户自定义总线的控制时序的特性，所使用的范围很广。只要用到了UPM总线，并对多个设备进行操作都可以适用本发明，提高对外围芯片的访问效率和UPM总线的利用率。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1、一种外设访问控制方法，其特征在于，所述方法包括：

接收处理器发出的控制信号；

当所述控制信号为对外设的操作命令时，禁止所述处理器发出下一操作命令；

接收所述外设发出的响应信号；

当所述响应信号为操作完成信号时，允许所述处理器发出下一操作命令。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过设置所述处理器的访问控制管脚来禁止或允许所述处理器发出下一操作命令。

3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述处理器为PowerPc，所述处理器的访问控制管脚为UPMWAIT；通过设置所述处理器的访问控制管脚来禁止或允许所述处理器发出下一操作命令，包括：

将UPMWAIT管脚设置为无效以允许PowerPc处理器发出下一操作命令，将UPMWAIT管脚设置为有效以禁止所述PowerPc处理器发出下一操作命令。

4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述响应信号为READY信号。

5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

当在一等待时间内没有收到所述外设的响应信号时，允许所述处理器发出下一操作命令。

6、根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据不同外设的接口速率分别设置不同的所述等待时间。

7、一种外设访问控制装置，其特征在于，所述装置包括：

控制信号接收单元，用于接收处理器发出的控制信号；

外设信号接收单元，用于接收所述外设发出的响应信号；

处理器控制单元，用于当所述控制信号为对所述外设的操作命令时，禁止所述处理器发出下一操作命令；当所述响应信号为操作完成信号时，允许所述处理器发出下一操作命令。

8、根据权利要求7所述的装置，其特征在于，

所述处理器控制单元通过设置所述处理器的访问控制管脚来禁止或允许所述处理器发出下一操作命令。

9、根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述处理器为PowerPc，所述处理器的访问控制管脚为UPMWAIT；

所述处理器控制单元，用于将UPMWAIT管脚设置为无效以允许PowerPc处理器发出下一操作命令，将UPMWAIT管脚设置为有效以禁止所述PowerPc处理器发出下一操作命令。

10、根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述响应信号为READY信号。

11、根据权利要求7所述的装置，其特征在于，

所述处理器控制单元，还用于当在一等待时间内没有收到所述外设的响应信号时，允许所述处理器发出下一操作命令。

12、根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

超时等待设置单元，用于根据不同外设的接口速率分别设置不同的所述等待时间。

13、一种外设访问控制系统，其特征在于，所述系统包括：处理器、与所述处理器连接的多个外设以及连接所述处理器和所述多个外设的外设访问控制装置；所述外设访问控制装置包括：

控制信号接收单元，用于接收所述处理器发出的控制信号；

外设信号接收单元，用于接收所述外设发出的响应信号；

处理器控制单元，用于当所述控制信号为对所述外设的操作命令时，禁止所述处理器发出下一操作命令；当所述响应信号为操作完成信号时，允许所述处理器发出下一操作命令。

14、一种外设访问控制系统，其特征在于，所述系统包括：处理器，连接所述处理器的多个外设，以及连接所述处理器和所述多个外设的外设访问控制装置；所述处理器的地址线、数据线和控制线分别与每个外设连接，所述处理器的控制线还连接所述外设访问控制装置，每个外设的响应信号线连接所述外设访问控制装置，所述外设访问控制装置连接所述处理器的访问控制管脚；所述外设访问控制装置包括：

控制信号接收单元，用于接收所述处理器发出的控制信号；

外设信号接收单元，用于接收所述外设发出的响应信号；

处理器控制单元，用于当所述控制信号为对所述外设的操作命令时，将所述处理器的访问控制管脚设置为有效以禁止所述处理器发出下一操作命令；当所述响应信号为操作完成信号时，将所述处理器的访问控制管脚设置为无效以允许所述处理器发出下一操作命令。

15、根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述处理器为PowerPc，所述外设的响应信号为READY信号，所述处理器的访问控制管脚为UPMWAIT管脚。

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