基于SOPC的PCI總線高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)[圖]

摘要：本文針對(duì)一體化偵察通信接收機(jī)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?提出了一種基于SOPC實(shí)現(xiàn)PCI總線高速傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該方案將PCI橋與用戶邏輯集成到一片F(xiàn)PGA上,并利用片上CPU實(shí)現(xiàn)了DMA控制器的自動(dòng)配置和總線異常處理,提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率。經(jīng)硬件平臺(tái)驗(yàn)證,該設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)大于100M bytes/s的PCI總線傳輸速率。

隨著戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境復(fù)雜程度越來(lái)越高，偵察與通信系統(tǒng)的融合成為一種必然的發(fā)展趨勢(shì)。數(shù)據(jù)量大、算法復(fù)雜是數(shù)字化偵察接收系統(tǒng)的主要特征。使用DSP和FPGA進(jìn)行高速信號(hào)譜分析、濾波等預(yù)處理，借助通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的分選、顯示等后處理是一種理想的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。因此，如何構(gòu)建與PC機(jī)間的高速數(shù)據(jù)通道，便成了偵察接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題之一。PCI （Peripheral CompONent Interconnect）總線，即外圍部件互連總線，是目前應(yīng)用最廣泛的一種高速同步總線，在32位總線寬度33Mz時(shí)鐘下，其理論最大傳輸速率可達(dá)132Mbyte/s （64位總線寬度66MHz時(shí)可達(dá)到528Mbyte/s），因此成為上述偵察接收系統(tǒng)中高傳輸速率、低成本PC接口的首選實(shí)現(xiàn)方式。目前，實(shí)現(xiàn)PCI總線接口的常用方法有兩種：一是采用專門的PCI橋芯片實(shí)現(xiàn)PCI接口，如PLX公司的PCI905X系列芯片等；二是使用可編程芯片實(shí)現(xiàn)PCI接口。

隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，可編程芯片成本越來(lái)越低、資源越來(lái)越豐富，用戶可將PCI橋和其它用戶邏輯在一片可編程芯片上實(shí)現(xiàn)，其中后者不需要額外的PCI橋芯片，系統(tǒng)硬件電路得以簡(jiǎn)化，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性更高，進(jìn)而可以縮短系統(tǒng)開發(fā)周期�；�于以上考慮，本文提出一種采用可編程片上系統(tǒng)（SySTem-On-Programmable-Chip,SOPC）實(shí)現(xiàn)偵察接收機(jī)PCI總線高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并采用直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)（DIRect Memory Access,DMA）傳輸方式來(lái)提高數(shù)據(jù)傳輸速率。

　　1 PCI總線接口方案設(shè)計(jì)

在PCI總線接口標(biāo)準(zhǔn)中，根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)起者所在位置，PCI接口有從模式和主模式兩種工作模式。根據(jù)工作方式的不同，DMA傳輸方式可分為連續(xù)式DMA （Continuous DMA）和集散式DMA（Scatter-Gather DMA）兩種。

1.1 PCI模式的選擇

PCI總線標(biāo)準(zhǔn)中，由PC發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸、讀/寫PCI接口卡的模式稱為從模式。這種模式只要求PCI接口設(shè)備具備PCI從設(shè)備的功能，接口邏輯相對(duì)較簡(jiǎn)單；主模式是由PCI接口卡主動(dòng)讀寫PC內(nèi)存，PCI接口的邏輯相對(duì)復(fù)雜。頻繁地要求PC發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸會(huì)占用PC的資源，為了減少PC的負(fù)擔(dān)，使其有更多的資源用于后續(xù)的數(shù)字信號(hào)處理，在偵察接收系統(tǒng)中，PCI接口卡的傳輸模式選擇主傳輸模式。

1.2 DMA傳輸方式的選擇

DMA是提高數(shù)據(jù)傳輸速率和微處理器使用效率的一種數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制。連續(xù)式DMA用于實(shí)現(xiàn)連續(xù)數(shù)據(jù)塊的傳輸，即在一次DMA傳輸中設(shè)備端讀/寫物理地址連續(xù)變化（讀存儲(chǔ)器空間）或不變化（讀IO口），PC端的物理存儲(chǔ)地址連續(xù)變化。集散式DMA用于實(shí)現(xiàn)不連續(xù)數(shù)據(jù)塊的傳輸，各傳輸數(shù)據(jù)塊的起始讀/寫地址和長(zhǎng)度都可以不同，它采用一個(gè)寄存器鏈表存儲(chǔ)每個(gè)數(shù)據(jù)塊的讀/寫起始地址和長(zhǎng)度，DMA傳輸過(guò)程中自動(dòng)從該鏈表加載地址和長(zhǎng)度信息。集散模式DMA應(yīng)用靈活，其缺點(diǎn)是在傳輸完一個(gè)數(shù)據(jù)塊之后要重新配置DMA控制寄存器的值，速度比連續(xù)模式稍慢。在偵察接收系統(tǒng)中，DMA傳輸模式選擇連續(xù)式傳輸模式。

1.3 PCI總線DMA傳輸方案設(shè)計(jì)

PCI接口總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。數(shù)據(jù)輸入到乒乓RAM緩沖區(qū)，乒乓切換信號(hào)通知CPU數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，CPU通過(guò)PCI橋的控制狀態(tài)寄存器判斷PC端是否備妥，如PC備妥則配置并啟動(dòng)DMA控制器，DMA控制器讀口從乒乓RAM中讀數(shù)據(jù)，寫口將數(shù)據(jù)寫至PCI總線訪問(wèn)端，PCI總線接口單元申請(qǐng)并獲得PCI總線訪問(wèn)權(quán)，將數(shù)據(jù)送上PCI總線。

2 PCI總線接口的SOPC實(shí)現(xiàn)

SOPC是Ahera公司提出的一種靈活、高效的片上系統(tǒng)解決方案，它將處理器、存儲(chǔ)器、I/O口以及一些通用的功能模塊集成在一個(gè)PLD器件上，構(gòu)成一個(gè)可編程的片上系統(tǒng)。利用SOPC開發(fā)偵察接收機(jī)中的PCI總線接口，具有開發(fā)周期短、系統(tǒng)穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。

2.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

PCI總線接口的SOPC內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。實(shí)現(xiàn)PCI總線DMA傳輸系統(tǒng)使用到4類功能模塊，分別是實(shí)現(xiàn)PCI橋邏輯的pci_comiler組件（pci_c ompiler）、負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸?shù)腄MA控制器（dma）、控制整個(gè)SOPC的NiosII處理器（cpu）及其數(shù)據(jù)程序存儲(chǔ)器（onchip_mem），以及SOPC和外部用戶邏輯通信的接口模塊（BA1、DMARD和datardy），上述組件通過(guò)avalon總線連接在一起組成SOPC。

PCI總線DMA傳輸系統(tǒng)功能模塊之間的交互過(guò)程如圖3所示，過(guò)程描述如下：

（1）CPU等待PC使能DMA傳輸，PC使能DMA后，執(zhí)行（2）；

（2）PC等待乒乓RAM的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好信號(hào)，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后，執(zhí)行（3）；

（3） CPU將DMA的讀/寫地址和傳輸長(zhǎng)度參數(shù)寫入DMA控制器中，使能DMA控制器，DMA控制器開始數(shù)據(jù)傳輸，即讀口通過(guò)DMARD接口從RAM中讀數(shù)，寫口將數(shù)據(jù)寫到PCI橋，PCI橋?qū)��?shù)據(jù)送至PCI總線；

（4）當(dāng)傳輸結(jié)束后，DMA控制器產(chǎn)生一個(gè)中斷（IRQ1）送CPU;

（5）CPU判斷傳輸是否完成，傳輸完成則通過(guò)PCI橋向PC發(fā)送中斷，并執(zhí)行（1），開始下一次DMA傳輸；

（6）PCI總線發(fā)生異常時(shí)，PCI橋邏輯中斷CPU,CPU查詢異常狀態(tài)，并自動(dòng)從異常中恢復(fù)。

2.2 PCI總線異常的自動(dòng)處理

PCI總線DMA傳輸過(guò)程中，可能出現(xiàn)的異常包括：

（1）PCI總線上SERR信號(hào)為高，系統(tǒng)錯(cuò)誤。

（2）PCI總線上PERR信號(hào)為高，數(shù)據(jù)奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤；

（3）主設(shè)備或從設(shè)備中止傳輸；

（4）主設(shè)備或從設(shè)備中止傳輸，或重試次數(shù)超過(guò)門限，導(dǎo)致PCI橋?qū)�總線讀/寫失敗。

在偵察接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，上述異常一旦發(fā)生，PCI接口便中斷NiosCPU,CPU接收到中斷后，通過(guò)查詢PCI橋的控制寄存器訪問(wèn)（Control RegisterAccess,CRA）空間，獲得異常信息。系統(tǒng)錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)，PCI接口設(shè)備是沒(méi)有辦法恢復(fù)的，在這種情況下，NiosCPU可點(diǎn)亮指示燈，指示系統(tǒng)錯(cuò)誤發(fā)生；其它異常情況發(fā)生后，Nios CPU可立即通過(guò)對(duì)DMA控制器的狀態(tài)空間的長(zhǎng)度寫零來(lái)停止DMA傳輸，然后重新啟動(dòng)DMA傳輸，讓系統(tǒng)從異常中恢復(fù)過(guò)來(lái)。

2.3 提高PCI總線DMA速率的優(yōu)化措施

為了盡可能提高DMA傳輸速率，本方案中共采取了以下三個(gè)方面的措施。

（1）PCI總線的突發(fā)傳輸與Avalon總線的流水線操作

為了提高系統(tǒng)傳輸速率，應(yīng)充分利用PCI總線的突發(fā)傳輸特性，使PCI總線處于突發(fā)傳輸狀態(tài)。為此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，一方面使Avalon總線工作于流水線模式下，降低Avalon總線的延遲時(shí)間；另一方面適當(dāng)增大緩存存儲(chǔ)空間，避免因緩沖區(qū)滿造成的傳輸延遲等待。

（2）DMA控制的優(yōu)化

為了使DMA傳輸更為靈活，如程序運(yùn)行過(guò)程中改變DMA長(zhǎng)度、讀寫地址、數(shù)據(jù)的幀長(zhǎng)度，以及發(fā)生異常時(shí)程序自動(dòng)恢復(fù)等，本文中使用Nio sCPU控制DMA傳輸。CPU的主要任務(wù)是在PC使能DMA和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好時(shí)啟動(dòng)DMA傳輸，應(yīng)盡可能使程序緊湊，減少冗余操作，做到條件具備立即啟動(dòng)DMA傳輸。

（3）功能模塊的時(shí)鐘設(shè)置

如圖2所示，SOPC中包括7個(gè)功能組件，為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的速度，需要分別讓這7個(gè)組件的時(shí)鐘處于最佳狀態(tài)。PCI總線訪問(wèn)相關(guān)組件的時(shí)鐘為33MHz,Nios CPU相關(guān)的組件運(yùn)行在150MHz時(shí)鐘上。使系統(tǒng)在正確穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上，最大限度地提高運(yùn)行速度。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文給出了一種基于SOPC系統(tǒng)的PCI總線高速DMA傳輸方案。與傳統(tǒng)的使用PCI橋芯片實(shí)現(xiàn)PCI總線的方案相比，該方案將PCI橋和用戶邏輯在一片F(xiàn)PGA中實(shí)現(xiàn)，減少了硬件電路的復(fù)雜度、降低了系統(tǒng)成本；采用SOPC創(chuàng)建PCI橋，大大縮短了開發(fā)周期，提高了系統(tǒng)的可靠性，且因使用了片上Nios CPU進(jìn)行DMA的在線配置和自動(dòng)異常處理，使DMA傳輸更加靈活。通過(guò)在EP3C120芯片上驗(yàn)證，該設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)大于100Mbytes /s的PCI總線DMA傳輸速率。

作者：張用宇 屈曉旭 婁景藝 來(lái)源：《電子元器件應(yīng)用》

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