基于FPGA的雙緩沖模式PCI Express總線設(shè)計(jì)方案

引言

　　近年來軟件無線電（SDR）得到了飛速的發(fā)展，在很多領(lǐng)域已顯示出其優(yōu)越性。本文的項(xiàng)目背景是通過軟件無線電方式實(shí)現(xiàn)數(shù)字音頻廣播（DAB）的基帶信號(hào)處理，這要求軟件無線電平臺(tái)具有高速實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理與傳輸能力。高速可編程邏輯器件（FPGA）和豐富的IP核提供了能高效實(shí)現(xiàn)軟件無線電技術(shù)的理想平臺(tái)。

　　1 PCIE總線方案論證

　　PCIE是第3代I/O總線互聯(lián)技術(shù)，如今已成為個(gè)人電腦和工業(yè)設(shè)備中主要的標(biāo)準(zhǔn)互聯(lián)總線。與傳統(tǒng)的并行PCI總線相比，PCIE采用串行總線點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，具有更高的傳輸速率和可擴(kuò)展性。例如本文采用的8通道1代PCIE 2.0硬核的理論傳輸速率是4 GB/s[1],其總線位寬亦可根據(jù)需求選擇×1、×2、×4和×8通道。與其他的串行接口（如RapidIO和Hypertransport）相比，PCIE具有更好的性能和更高的靈活性[2].

　　1.1 PCIE總線實(shí)現(xiàn)方式

　　目前，PCI Express總線的實(shí)現(xiàn)方式主要有兩種：基于專用接口芯片ASIC和基于IP核的可編程邏輯器件FPGA方案。前者通常采用ASIC+FPGA/DSP的組合方式，專用PCIE接口芯片（如PEX8311）避免用戶過多地接觸PCIE協(xié)議，降低了開發(fā)難度；但其硬件電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，功能固定，靈活性和可擴(kuò)展性較差。后者使用IP核實(shí)現(xiàn)PCIE協(xié)議，用戶可以開發(fā)其所需的功能和驅(qū)動(dòng)，具有可編程性和可重配置能力；另外，單片F(xiàn)PGA降低了成本和電路復(fù)雜程度，更符合片上系統(tǒng)（SoC）的設(shè)計(jì)思想。本文采用Xilinx公司Virtex6 FPGA和PCIE集成塊，實(shí)現(xiàn)雙緩沖模式的高速PCIE接口設(shè)計(jì)。

　　1.2 雙緩沖與單緩沖比較

　　以寫操作（數(shù)據(jù)從FPGA到內(nèi)存）為例，雙緩沖PCIE系統(tǒng)框圖如圖1所示。為描述方便，將該FPGA片上系統(tǒng)命名為SRSE（Software Radio System with PCI Express）。

圖1 雙緩沖PCIE系統(tǒng)框圖

　　PC端的驅(qū)動(dòng)程序在系統(tǒng)內(nèi)存上為SRSE分配了兩個(gè)緩沖區(qū)（WR_BUF1/2）用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，這兩個(gè)緩沖區(qū)的地址信息分別存儲(chǔ)在FPGA端的DMA寄存器（DAM_Reg1/2）中。Root Complex連接CPU、內(nèi)存和PCIE器件，它代表CPU產(chǎn)生傳輸請求[3];PCIE核是Xilinx公司提供的集成塊程序，實(shí)現(xiàn)PCIE協(xié)議的處理；DMA（直接存儲(chǔ)器訪問）引擎用于實(shí)現(xiàn)DSP核和PCIE器件間的高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與交換；DSP（數(shù)字信號(hào)處理）核是用戶設(shè)計(jì)的算法或應(yīng)用程序。以圖1為例，DSP核將產(chǎn)生的數(shù)據(jù)寫入TX_FIFO,DMA引擎將數(shù)據(jù)以傳輸層數(shù)據(jù)包（TLP）的形式發(fā)送至PCIE核，其中數(shù)據(jù)包的頭信息來自寄存器DMA_Reg1.當(dāng)SRSE將數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)WR_BUF1時(shí)，驅(qū)動(dòng)分配另外一塊緩沖區(qū)WR_BUF2并將該緩沖區(qū)的地址信息寫入寄存器DMA_Reg2中；當(dāng)DMA引擎發(fā)出WR_BUF1的寫操作消息中斷（MSI）后，DMA控制器將數(shù)據(jù)包的頭信息切換至DMA_Reg2,驅(qū)動(dòng)將緩沖區(qū)切換至WR_BUF2,繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)。

　　圖2 PCIE總線中斷延遲測量

　　與雙緩沖相對(duì)應(yīng)的是單緩沖模式。以寫操作為例，驅(qū)動(dòng)程序每次在內(nèi)存上分配一個(gè)緩沖區(qū)WR_BUF,該緩沖區(qū)的地址信息存儲(chǔ)在DMA寄存器DMA_Reg中。當(dāng)寫滿緩沖區(qū)WR_BUF時(shí)，DMA引擎會(huì)產(chǎn)生MSI中斷，并通過PCIE核通知驅(qū)動(dòng)程序。驅(qū)動(dòng)分配新的緩沖區(qū)，并將該緩沖區(qū)地址通過PCIE總線寫入DMA寄存器DMA_Reg中。中斷的傳輸和DMA寄存器的更新會(huì)產(chǎn)生一定延時(shí)，這需要較大的TX_FIFO來存取延時(shí)期間DSP核產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。

　　為精確測量中斷延時(shí)時(shí)間，搭建了基于DELL T3400型PC和ML605開發(fā)套件的平臺(tái)，通過ChipScope觀察的波形結(jié)果如圖2所示。DMA中斷發(fā)生在時(shí)刻0（mwr_done:0博1）；然后PCIE核向驅(qū)動(dòng)發(fā)出MSI中斷，驅(qū)動(dòng)程序查詢中斷寄存器發(fā)生在時(shí)刻2241（irq_wr_accessed:1博0）；驅(qū)動(dòng)程序分配新的內(nèi)存緩沖區(qū)，然后更新DMA寄存器發(fā)生在時(shí)刻2802（wr_dma_buff0_rdy:0博1）。在這2802個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，PCIE器件無法將數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存。PCIE的時(shí)鐘頻率為250 MHz,所以中斷延時(shí)T=2802×（1/250 MHz）=11.2 μs.假定DSP核產(chǎn)生數(shù)據(jù)的速率為200 MB/s,中斷延時(shí)期間將產(chǎn)生11.2 μs×200 MB/s=2241 B大小的數(shù)據(jù)。考慮到其他不可預(yù)測因素，如中斷堵塞等，為了不丟失數(shù)據(jù)，TX_FIFO至少需要幾KB的空間。這對(duì)于FPGA內(nèi)寶貴的硬件資源（如Block RAM）來說是嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

　　與單緩沖模式相比，雙緩沖模式優(yōu)點(diǎn)歸納如下：

　?、?更新緩沖區(qū)不會(huì)引入中斷延時(shí)，這意味著較小的FIFO即可滿足需求，節(jié)約了硬件資源。

　?、?雙緩沖模式延長了驅(qū)動(dòng)程序處理中斷的時(shí)間，也使緩沖區(qū)數(shù)據(jù)的處理更加容易，丟包率大大減小。

　?、?數(shù)據(jù)的傳輸和內(nèi)存緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)處理可以并行處理，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性得到保證。

　　④ 雙緩沖更適合Scatter/Gather DMA,取代block DMA,從而提高內(nèi)存效率。

　　2 軟件無線電平臺(tái)設(shè)計(jì)

　　軟件無線電基于可編程、可重構(gòu)的通用硬件平臺(tái)，通過加載不同的軟件實(shí)現(xiàn)不同的無線電功能，廣泛應(yīng)用于軍用和民用領(lǐng)域。為了能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的算法，其平臺(tái)需要具備高速數(shù)據(jù)交換和實(shí)時(shí)信號(hào)處理的能力。該設(shè)計(jì)參考Xilinx ML605開發(fā)套件，基于Xilinx Virtex6 LX240T FPGA芯片，通過增加相應(yīng)的模塊搭建通用的軟件無線電平臺(tái)。

　　軟件無線電原理框圖如圖3所示。信號(hào)獲取模塊采用兩片ADC和DAC以實(shí)現(xiàn)IQ兩路信號(hào)的數(shù)模轉(zhuǎn)換；通信模塊由以太網(wǎng)和USBRS232接口組成；擴(kuò)展卡可以是射頻發(fā)射機(jī)或接收機(jī)，通過擴(kuò)展卡接口與母板相連；JTAG接口提供在線編程和內(nèi)部測試功能；存儲(chǔ)器件包括512 MB DDR3內(nèi)存和128 MB平臺(tái)Flash,分別用于動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和配置FPGA;人機(jī)接口由LED/LCD、按鍵和開關(guān)等元件組成，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話；200 MHz有源晶振和SMA時(shí)鐘接口組成時(shí)鐘輸入模塊，向FPGA提供時(shí)鐘基準(zhǔn)；8通道PCIE接口和IP核實(shí)現(xiàn)平臺(tái)與PC間高速數(shù)據(jù)交換。

　　圖3 軟件無線電原理框圖