半導體測量儀的數據傳輸功能研究

　　本文基于一類半導體測量儀器為背景進行開發，研究了PCI 總線數據傳輸系統，在測量電路和主機間完成了雙向數據的傳輸。通過分析 PCI9054 接口類型的控制器，實現了在現場可編程門陣列單元器件的內部，測試并且完成了本地設備的總線接口類型的電路，譯碼器裝置、FIFO 存儲器等電路單元的開發。隨后實際運行了基于 VisualC++ 語言編寫的具有測試功能的程序軟件，驗證了此數據傳輸系統可正確、高效地實現數據傳輸的功能。

　　1. 研究背景

　　通常來講，半導體測量裝置一般用于進行半導體元件的直流參數的測量、材料特性的檢查、生產過程中的測試環節、過程監控以及最終產品的質量控制、產品數據報告的建立、元器件的匹配、產品的失效原因分析、產品的工程測試等應用領域，已經在電子產品的開發、研究、制造、測試環節、維修環節等層面獲得了非常普遍的實際應用。若要達成相關儀器的各類測試方面的功能，首先需要針對測量的過程以及相關數據的捕捉過程實施有規律并且實時的監控，其次需要保證相關儀器測量電路所捕捉到的相關測試數據通過 AD(模擬，數字)轉換之后，必須做到第一時間傳輸到電腦主機實施相應的分析和處理操作。上述提到的所有相應的控制以及數據采集的功能能夠借助一塊配備有 FPGA 芯片單元的PCI 數據信息采集卡裝置來完成。

　　2.PCI 總線的概念簡介

　　PCI 總線的全稱是外圍部件互連總線，也可以簡稱局部的總線。PCI 總線是現階段主板部件上最為普遍的總線形式，其定義了 32 位信息數據的總線，并且支持擴展到 64 位的規格(V2.1 版本之上的 PCI 總線的主流執行標準)。PCI 總線系統適合用于多種類的計算機平臺和多類型體系架構的處理器操作系統，并且可以支持 3.3 伏特以及 5V 伏特 2 種電壓的信號環境，能夠通過升級轉換成為 64 位的總線系統。

　　3.PCI 總線系統的接口類型方案的選擇

　　簡述通常來講，PCI 總線系統是現階段在各類型電腦系統中實際應用最為廣泛的總線系統，比較適用于針對計算機主機的各類功能最大限度的擴展工作。

　　一般狀況之下是把所要擴展的各項功能采用相應的邏輯電路進行實現并且進一步制作成擴展用的電路板卡的形式，最后經過 PCI 總線系統的擴展插槽來實現其和電腦主機系統在物理層面上的連接和交互。一般來實現 PCI 總線系統的接口會有 2 種方案，也就是說可以借助可編程邏輯控制器件來進行，另外就是使用專門的接口芯片來實現。

　　假如借助可編程邏輯控制器件機型，不僅需要分析相關 PCI 總線系統的信號以及 PCI 總線系統的相應傳輸協議，還必須掌握到相應的 PCI 總線系統具有的特定仲裁機制、正誤糾正的相關機制、奇偶性校驗等一整套相應的規則和定義。如果采用專門的接口芯片來實現，則是需要滿足相應的 PCI 總線系統的標準規范的專門的集成電路，在其接口芯片的內部也可能配備了空間以及完成各類接口功能的邏輯控制單元。

　　使用專門的接口芯片這類解決方案，具有非常明顯的優勢，也就是說，可以避免相關信息技術人員為自行規劃設計相應的接口電路而在 PCI 總線系統的規范層面投入不必要的資源以及時間，進而可以耗費最短的時間把研究工作的重點集中到 PCI 總線系統的相關功能與設備的開發以及設計上面。在本文的開發和設計實踐工作之中，我們選取了第 2 種設計方案，也就是說采用專門的接口芯片的解決方案。具體選取的接口芯片是 PLX 公司出品的 PCI9055 型號的接口芯片，此芯片是由美國 PLX 公司出品。用于針對 PCI 總線系統以及本地的總線(localbus)進行橋接操作，從而實現了電腦主機和 PCI 總線系統設備之間的信息交互過程。

　　4. 本地總線系統的接口邏輯設計

　　簡述為達成 PCI9055 芯片對于本地系統中的邏輯資源的存取操作功能，必須要在本地系統端口 FPGA 芯片的內部使用 Verilog 類型的機器語言來設計出一套本地系統總線接口的電路。經過分析和研究相關芯片信息數據的手冊標注的時序邏輯圖，不難看出，此類接口位置的電路需要實現 2 個基本的邏輯功能，首先是需要根據準確的時序關系產生出或撤銷 LHOLDA#，READY# 類 型 的 數 據 信 號， 其 次 是 生 成 對于本地系統資源可以試試讀、寫操作的數據信號。通常，有關 LHOLDA# 類型信息信號的產生與撤銷的問題，可能關系到本地系統總線有關的仲裁問題。

　　如果主機和 PCI 總線系統相關的設備之間需要實施數據信息的傳輸動 作 時，PCI9055 芯 片 的 內 部 就 可 以 生 成 LHOLD 類 型 的數據信號來實現請求使用本地系統總線的目的，這時采用Verilog 語言中內的 always 相關語句就能夠實現在下次的時鐘脈沖的上升沿出現時輸出對應的應答信號。對于 READY# 類型的信號及讀、寫信號可采用同步狀態機制來達成。如果 PCI9055 芯片收到本地系統總線的信號之后，將控制地址信號 ADS 發出寬度數值為 1 個周期的低電平脈沖信號，進行相應的數據傳輸，狀態機單元將會依據讀操作或者寫操作(根據 LWR 信號的電平類別進行判別)分別實現寫操作(也就是狀態 1)以及讀操作(也就是狀態 2)。

　　隨后再把這 2 個狀態之下輸出的有效 READY# 類型信號加上讀、寫信號傳輸到本地系統的邏輯電路中。在相應的數據信號傳輸的進程之中，READY# 類型的信號需要保持有效，直到有效的 BLAST# 類型信號出現之時。除此以外，為正常達成本地系統的邏輯資源讀、寫的目的，還必須為本地系統的相關資源合理分配相應的邏輯地址。

　　5. 重要參數信息的傳輸試驗及相關試驗結果研究

　　半導體測量相關工程技術人員在進行 PCI-bus 協議的研究過程中，PCI 輸入接口與輸出接口內置芯片的工作模式及工作順序等相關工作原理的前提條件下，半導體測量相關工程技術人員在基于 FPGA 核心芯片的前提條件下設計出 CAN-bus 輸入接口與輸出接口邏輯供電電路，完成了FIFO 寄存裝置及存儲裝置等邏輯存儲裝置，并且為此類資源存儲裝置匹配相應的本地連接移動物理地址，基于此徹底完成重要數據信息采集裝置數據傳輸功能的軟件環境已基本實現。

　　半導體測量相關工程技術人員使用 VisualC++2018相關項目開發程序在計算機客戶端進行測試程序的編寫工作，進行此類采集卡硬件部分是否可以完成相關重要參數信息的傳輸和傳輸過程中的合理性。半導體測量相關工程技術人員在進行此類軟件的測試過程中，在通常狀況下應用了Windows Driver 開發程序所自帶的各種類型數據端口二次曲線函數。軟件的操作界面詳見相關技術規范及相關標準內容進行參照。此類軟件在通常狀況下需要進行以下四部分測試內容：

　　(1)PCI 相關裝置的開啟及關閉功能的測試。半導體測量相關工程技術人員在實際進行操作系統打開動作以前，必須挑選科學合理的數據傳輸裝置。(2)相關數據傳輸裝置讀取 PCI9054 輸入接口與輸出接口內置芯片內部寄存裝置的功能。重要參數信息采集裝置內部并行的 EEPROM 芯片能夠實現寄存裝置初始數值的存儲功能，半導體測量相關工程技術人員在板卡進行供電的過程中，進而實現寄存裝置的合理匹配。

　　(3)半導體測量相關工程技術人員使用科學合理的重要參數信息的傳輸模式，和板卡本機輸入接口與輸出接口的關鍵核心資源(例如寄存裝置)實施單向的多元化重要數據信息的高速傳輸。(4)和板卡輸入接口與輸出接口重要存儲資源(例如FIF1 存儲裝置)完成單向的海量重要參數信息的高速傳輸。

　　5.1 重要參數信息使用相關設備開閉功能研究半導體測量相關工程技術人員在開啟及關閉過程中在通常 狀 況 下 使 用(P9057_Open) 和(P9057_Close) 這 兩類二次曲線函數進行實現，基于二次曲線函數的最大絕對值能夠評估出該裝置是否能夠進行開啟與關閉。例如半導體測量相關工程技術人員在將相關裝置進行開啟的過程中，假如能夠實現將相關裝置進行正常開啟并退回至“TRUE”狀態，與此相關將退回至“FALSE”狀態。半導體測量相關工程技術人員進行相關軟件測試的過程中，在單擊“裝置開啟”的按鈕以后，操作系統的實施對話框就會實時彈出，證明該裝置處于正常打開的工作狀態。

　　5.2 PCI9054 寄存相關裝置的重要參數信息的讀取試驗此類功能測試半導體測量相關工程技術人員在一般情況下都是借助使用二次曲線函數進行實現的。在完成相關代碼編寫的過程中，半導體測量相關工程技術人員寫出合理的移動物理地址就能夠讀取寄存裝置的參數數值。半導體測量相關工程技術人員在相關重要參數信息讀取的過程中，讀取了幾類非常關鍵的寄存裝置的參數，并且將具體數值顯示在操作軟件的界面，結果詳見相關試驗數據。與相關技術標準工作程序進行全方位的對比，證明測試軟件可以完成內置寄存裝置的讀取。

　　5.3 單次重要參數信息寫入相關試驗半導體測量相關工程技術人員在使用二次曲線函數進行實際一次參數信息讀取操作完成的過程中，必須在系統軟件內部輸入合理的移動物理地址、重要參數信息的字節寬度、實際參數。半導體測量相關工程技術人員為了確認所讀取重要參數信息是否正確，將移動物理地址寄存裝置進行高速寫入，得出發光二極管的工作狀態，半導體測量相關工程技術人員就能夠評估讀取參數信息是否正確。

　　5.4 批量重要參數信息寫入相關試驗半導體測量相關工程技術人員前期在 FPGA 內置芯片的存儲器裝置嵌入一個周期完整正弦波二次曲線函數的極坐標重要參數信息，每一個頻率的二次曲線一共具有 128 個關鍵節點，每一個極坐標參數包括橫坐標與縱坐標兩類數值架構。

　　半導體測量相關工程技術人員使用二次曲線函數基于高速數據信息傳輸模式持續進行極坐標重要參數信息的讀取工作，并且將該重要參數信息儲存在主機某個關鍵特定的位置，隨后半導體測量相關工程技術人員應用此類極坐標重要參數信息借助 VC 給出的二次曲線函數在新窗口中完成正弦波二次曲線的求解。在此次軟件測試過程中半導體測量相關工程技術人員在常規編程的過程中一共計算得出了四個周期的正弦波二次函數曲線。

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　　6. 結語

　　綜上所述，半導體測量相關工程技術人員經過針對相關應用軟件的測試過程進行非常詳細的研究得出，本文研究了從最初規劃設計一直到由硬件及軟件兩個關鍵層面搭建了一整套行之有效的參數信息傳輸的運行體系。半導體測量相關工程技術人員根據相關試驗結果說明，此類半導體測量裝置可以行之有效以及科學合理地完成針對相關重要參數信息的傳輸作用，基本最大限度地實現了初期的規劃設計任務目標。

　　作者：商博雯

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