利用WinDriver實現(xiàn)鏈?zhǔn)紻MA

摘要：PCI Express協(xié)議由于其高速串行、系統(tǒng)拓?fù)浜唵蔚忍攸c被廣泛用于各種領(lǐng)域。Altera公司的Arria II GX FPGA內(nèi)集成了支持鏈?zhǔn)紻MA傳輸功能的PCI Express硬核，適應(yīng)了PCI Express總線高速度的要求。文中利用Jungo公司的WinDriver軟件實現(xiàn)了鏈?zhǔn)紻MA的上層應(yīng)用設(shè)計。首先給出了鏈?zhǔn)紻MA實現(xiàn)的基本過程，接著分析了鏈?zhǔn)紻MA數(shù)據(jù)傳輸需要處理的幾個問題，給出了相應(yīng)的解決辦法和策略。采用這些方法，保證了DAM數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，簡化了底層FPGA應(yīng)用邏輯的設(shè)計。
關(guān)鍵詞：鏈?zhǔn)紻MA；WinDriver；PCI Express；端點存儲器

在計算機(jī)與外設(shè)的通訊過程中，DMA方式，即DirectMemory access(直接內(nèi)存訪問)，由于無需計算機(jī)CPU的干預(yù)就可以在內(nèi)存和外設(shè)之間傳輸數(shù)據(jù)，是一種高效的數(shù)據(jù)交換方式。因為對于高速的設(shè)備，如PCI Express接口的板卡設(shè)備，如果采用普通方式在存儲器和外設(shè)之間傳輸大量的數(shù)據(jù)將占用太多的CPU時間，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的性能。而使用DMA方式則使傳輸數(shù)據(jù)的操作中CPU的涉及減小到最少。
要實現(xiàn)DMA的傳輸功能，在底層需要硬件本身具有這樣的功能模塊，即外設(shè)硬件可以主動發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸。在上層則需要驅(qū)動與應(yīng)用接口的配合。
文中給出如下的一種DMA傳輸方式的實現(xiàn)。硬件外設(shè)是基于Altera公司PCI Express硬核的FPGA加密卡，其與主機(jī)的接口采用是PCI Expre ss接口。上層則采用了Jungo公司的WinDriver軟件提供的驅(qū)動和API接口。

1 鏈?zhǔn)紻MA
PCI Express是用來互聯(lián)諸如計算機(jī)和通信平臺應(yīng)用中外圍設(shè)備的第三代高性能I／O總線。與原有的PCI并行總線相比，它沒有大量的數(shù)據(jù)和控制線，對于硬件電路設(shè)計者來說，省去了很多硬件設(shè)計工作。PCI Express的傳輸速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于PCI總線，PCI Express 1．1版本單個鏈路的單向吞吐量能達(dá)到250 MB／s。對于需要與主機(jī)進(jìn)行大容量傳輸?shù)南到y(tǒng)來說，該總線標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)勢是非常明顯的。Altera公司的Arria IICX系列器件內(nèi)建PCI Express硬核，無需PHY和IP核，有利于節(jié)約FPGA資源，簡化了PCI Express的接口設(shè)計。同時在用Quartus II軟件生成的基于PCI Express硬核的樣本工程中，集成了對DMA的支持功能，為進(jìn)一步的硬件產(chǎn)品開發(fā)提供了基礎(chǔ)。
實際應(yīng)用中，DMA的傳輸方式可分為兩種：簡單DMA和鏈?zhǔn)紻MA。簡單DMA只需要主機(jī)告訴設(shè)備要傳輸數(shù)據(jù)的主機(jī)地址、設(shè)備地址和傳輸數(shù)據(jù)的長度，然后啟動DMA傳輸即可。但簡單DMA每進(jìn)行一次傳輸，都要進(jìn)行上面的設(shè)置，效率較低。
在用Quartus II軟件的MegaWizard。Plug-In Manager工具生成的基于PCI Express硬核的樣本工程中，實現(xiàn)了一個32 KB的帶有字節(jié)寫使能控制的雙端口RAM的端點存儲器，其讀寫數(shù)據(jù)總線寬度均為128位；并且實現(xiàn)了鏈?zhǔn)紻MA的傳輸功能。這是一種效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于簡單DMA的傳輸方式，它只需要1次啟動操作，就可以完成多次DMA傳輸。具體實現(xiàn)的方法是：在主機(jī)端，需要開辟一塊內(nèi)存區(qū)域，用來存儲描述符表。所謂描述符表，是用來描述在主機(jī)與外設(shè)之間數(shù)據(jù)傳輸有關(guān)的地址與長度信息的，它由一個表頭和多個描述符組成，其中每一個描述符對應(yīng)一次DMA操作。用戶根據(jù)自己的需求填寫該描述符表，如下表所示。

在上表中，偏移地址是指到描述符表內(nèi)存區(qū)域開始處的字節(jié)偏移地址。DMA長度用來設(shè)置本描述符對應(yīng)的DMA傳輸?shù)拈L度，是以32位雙字為單位的。主機(jī)地址用來指示數(shù)據(jù)在主機(jī)端存放的位置。設(shè)備地址用來指示數(shù)據(jù)在設(shè)備的端點存儲器中存放的位置。控制域用來控制在該描述符傳輸完成時設(shè)備是否更新描述符頭的EPLAST域。