基于SOPC的PCI總線高速數據傳輸系統(tǒng)設計

摘要：本文針對一體化偵察通信接收機高速數據傳輸的需求，提出了一種基于SOPC實現PCI總線高速傳輸系統(tǒng)的設計方案。該方案將PCI橋與用戶邏輯集成到一片FPGA上，并利用片上CPU實現了DMA控制器的自動配置和總線異常處理，提高了系統(tǒng)數據速率。經硬件平臺驗證，該設計能夠實現大于100M bytes／s的PCI總線傳輸速率。
關鍵字：PCI總線；現場可編程門陣列；片上系統(tǒng)；直接存儲器存儲

隨著戰(zhàn)場電磁環(huán)境復雜程度越來越高，偵察與通信系統(tǒng)的融合成為一種必然的發(fā)展趨勢。數據量大、算法復雜是數字化偵察接收系統(tǒng)的主要特征。使用DSP和FPGA進行高速信號譜分析、濾波等預處理，借助通用計算機平臺實現信號的分選、顯示等后處理是一種理想的系統(tǒng)設計方案。因此，如何構建與PC機間的高速數據通道，便成了偵察接收系統(tǒng)設計中的關鍵問題之一。PCI (Peripheral Component Interconnect)總線，即外圍部件互連總線，是目前應用最廣泛的一種高速同步總線，在32位總線寬度33Mz時鐘下，其理論最大傳輸速率可達132Mbyte／s (64位總線寬度66MHz時可達到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接口的首選實現方式。目前，實現PCI總線接口的常用方法有兩種：一是采用專門的PCI橋芯片實現PCI接口，如PLX公司的PCI905X系列芯片等；二是使用可編程芯片實現PCI接口。
隨著集成電路技術的發(fā)展，可編程芯片成本越來越低、資源越來越豐富，用戶可將PCI橋和其它用戶邏輯在一片可編程芯片上實現，其中后者不需要額外的PCI橋芯片，系統(tǒng)硬件電路得以簡化，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性更高，進而可以縮短系統(tǒng)開發(fā)周期?；谝陨峡紤]，本文提出一種采用可編程片上系統(tǒng)(System-On-Programmable-Chip，SOPC)實現偵察接收機PCI總線高速數據傳輸系統(tǒng)的設計方案，并采用直接存儲器訪問(Direct Memory Access，DMA)傳輸方式來提高數據傳輸速率。

1 PCI總線接口方案設計
在PCI總線接口標準中，根據數據傳輸的發(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總線標準中，由PC發(fā)起數據傳輸、讀／寫PCI接口卡的模式稱為從模式。這種模式只要求PCI接口設備具備PCI從設備的功能，接口邏輯相對較簡單；主模式是由PCI接口卡主動讀寫PC內存，PCI接口的邏輯相對復雜。頻繁地要求PC發(fā)起數據傳輸會占用PC的資源，為了減少PC的負擔，使其有更多的資源用于后續(xù)的數字信號處理，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是提高數據傳輸速率和微處理器使用效率的一種數據傳輸機制。連續(xù)式DMA用于實現連續(xù)數據塊的傳輸，即在一次DMA傳輸中設備端讀／寫物理地址連續(xù)變化(讀存儲器空間)或不變化(讀IO口)，PC端的物理存儲地址連續(xù)變化。集散式DMA用于實現不連續(xù)數據塊的傳輸，各傳輸數據塊的起始讀／寫地址和長度都可以不同，它采用一個寄存器鏈表存儲每個數據塊的讀／寫起始地址和長度，DMA傳輸過程中自動從該鏈表加載地址和長度信息。集散模式DMA應用靈活，其缺點是在傳輸完一個數據塊之后要重新配置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傳輸方案設計
PCI接口總體結構框圖如圖1所示。數據輸入到乒乓RAM緩沖區(qū)，乒乓切換信號通知CPU數據準備好，CPU通過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DMA控制器，DMA控制器讀口從乒乓RAM中讀數據，寫口將數據寫至PCI總線訪問端，PCI總線接口單元申請并獲得PCI總線訪問權，將數據送上PCI總線。

2 PCI總線接口的SOPC實現
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、存儲器、I／O口以及一些通用的功能模塊集成在一個PLD器件上，構成一個可編程的片上系統(tǒng)。利用SOPC開發(fā)偵察接收機中的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。