基于Xilinx PCI Express Core的高速DMA讀寫(xiě)設(shè)計(jì)

摘要 本設(shè)計(jì)在基于Xilinx Virtex-6 FPGA內(nèi)嵌PCI Express Core的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了由PCI Express板卡主動(dòng)發(fā)起的DMA讀寫(xiě)，可完成PC和PCI Express板卡之間數(shù)據(jù)的高速傳輸。該設(shè)計(jì)已經(jīng)在Xilinx評(píng)估板ML605上完成調(diào)試驗(yàn)證，DMA寫(xiě)內(nèi)存速度穩(wěn)定可達(dá)1 520 MB/s，滿足了高速存儲(chǔ)系統(tǒng)的要求。

隨著相控陣?yán)走_(dá)、超寬帶雷達(dá)、數(shù)字陣列雷達(dá)相繼地出現(xiàn)，雷達(dá)的回波數(shù)據(jù)量在不斷地增加，因此對(duì)高速采集和大容量數(shù)據(jù)傳輸提出了越來(lái)越高的要求。早期基于PCI總線的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在帶寬、流量控制和數(shù)據(jù)傳送質(zhì)量上存在一定缺陷，在某種程度上并不能完全適應(yīng)高速大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的要求。相比較而言，PCI Expres總線具有鮮明的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，不僅完全兼容PCI總線，而且全面解決了PCI總線所面臨的帶寬、流量控制和數(shù)據(jù)傳送質(zhì)量方面問(wèn)題，由于使用高速差分總線，時(shí)鐘頻率可以達(dá)到較高水平，其總線帶寬較PCI總線也有大幅度提升，目前X16的PCI Express峰值帶寬可以達(dá)到80 GT/s。PCI Express技術(shù)的逐步成熟，為高速數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)傳輸提供了較好的解決方案。

1 DMA控制邏輯設(shè)計(jì)

DMA控制邏輯設(shè)計(jì)如圖1所示，主要有PCIExpress Core、接收引擎、發(fā)送引擎、DMA控制狀態(tài)寄存器和中斷控制等關(guān)鍵模塊。

1.1 PCI Express Core

主要特點(diǎn)如下：(1)符合PCI Express Base Specification 2.0規(guī)范。(2)支持X1、X2、X4或X8模式。(3)片上GTP/GTX收發(fā)器實(shí)現(xiàn)PHY。(4)具有訪問(wèn)PCI Express配置空間和內(nèi)部配置的管理接口。(5)支持最大的有效載荷(128～4 096 Byte)。(6)可針對(duì)存儲(chǔ)器或I/O進(jìn)行配置的基地址寄存器(BAR)。

1.2 接收引擎

在PCI Express系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)中，接收引擎主要是在接口時(shí)鐘的控制下，按照基本TLP接收時(shí)序，解析存儲(chǔ)器讀寫(xiě)請(qǐng)求并從TLP中提取所需信息并將其傳送到存儲(chǔ)器訪問(wèn)控制器，存儲(chǔ)器訪問(wèn)控制器處理存儲(chǔ)器寫(xiě)TLP中寫(xiě)入存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)，并使用存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)讀來(lái)響應(yīng)存儲(chǔ)器讀TLP;此外接受引擎主要還負(fù)責(zé)處理存儲(chǔ)器讀完成TLP，響應(yīng)板卡發(fā)起的DMA讀操作。

1.3 發(fā)送引擎

在PCI Express系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)中，發(fā)送引擎主要是在接口時(shí)鐘的控制下，按照基本TLP發(fā)送時(shí)序，為接收到的存儲(chǔ)器讀TLP生成完成包，生成該完成包所需的信息會(huì)由存儲(chǔ)控制器傳送到發(fā)送引擎;此外發(fā)送引擎還負(fù)責(zé)發(fā)起存儲(chǔ)器讀寫(xiě)請(qǐng)求TLP，實(shí)現(xiàn)與PC之間數(shù)據(jù)的DMA讀寫(xiě)。

1.4 DMA狀態(tài)控制寄存器

在PCI Express系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)中，DMA狀態(tài)控制寄存器主要是實(shí)現(xiàn)PCI Express Core與Root Complex之間數(shù)據(jù)的傳遞。Windows GUI軟件配置DMA控制狀態(tài)寄存器控制DMA操作。DMA控制狀態(tài)寄存器映射于PCI Express Memory BAR0空間，Windows GUI軟件通過(guò)Memory Write和Read周期訪問(wèn)寄存器。Windows GUI軟件初始化DMA控制寄存器發(fā)起DMA傳輸，而通過(guò)狀態(tài)寄存器，以中斷方式通知Root Complex DMA傳輸完成。

1.5 中斷控制

當(dāng)DMA傳輸結(jié)束時(shí)，為及時(shí)通知PC響應(yīng)并處理中斷，中斷控制部分使用核的配置層接口信號(hào)產(chǎn)生中斷。PCI Express支持兩種中斷：消息信號(hào)中斷(MSI)和傳統(tǒng)中斷(Legacy INT)。在PCI Express設(shè)備枚舉過(guò)程中，跟聯(lián)合體會(huì)根據(jù)自身對(duì)中斷支持的能力設(shè)置配置空間中的命令寄存器和消息信號(hào)中斷能力寄存器，來(lái)決定使用何種中斷。

2 PCI Express Masfer DMA讀寫(xiě)設(shè)計(jì)驗(yàn)證

2.1 DMA寫(xiě)設(shè)計(jì)驗(yàn)證

數(shù)據(jù)流向：上行FIFO數(shù)據(jù)→PCI Express Master DMA Write→PC內(nèi)存→PC硬盤(pán)。

整個(gè)DMA寫(xiě)過(guò)程如下：(1)復(fù)位FPGA邏輯，延時(shí)1 ms;去除FPGA邏輯，延時(shí)1 ms。(2)檢測(cè)硬件鏈路初始化。(3)開(kāi)啟DMA寫(xiě)完成中斷。(4)設(shè)置DMA寫(xiě)目的地址寄存器，設(shè)置DMA寫(xiě)傳輸長(zhǎng)度寄存器。(5)啟動(dòng)DMA寫(xiě)操作，選擇記錄路徑。(6)等待DMA寫(xiě)完成中斷。(7)清除中斷，內(nèi)存數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)到硬盤(pán)。(8)DMA寫(xiě)是否結(jié)束，是則轉(zhuǎn)至步驟(9);否則轉(zhuǎn)至步驟(4)。(9)終止DMA寫(xiě)，關(guān)閉DMA寫(xiě)完成中斷，斷開(kāi)記錄路徑。

下面給出從PCI Express Core到系統(tǒng)內(nèi)存的DMA寫(xiě)時(shí)序，圖2是用ChipScope截取的時(shí)序圖。

T0～T1之間核接收事務(wù)接口上m_axis_rx_tvalid與m_axis_rx_tlast共同有效了8次，即執(zhí)行了8次PIO內(nèi)存讀寫(xiě)操作。其中第6次為PIO讀操作，相應(yīng)的發(fā)送事務(wù)接口上s_axis_tx_tvalid與s_axis_tx_tlast有效，產(chǎn)生Cpld完成包以回應(yīng)PIO讀操作。從圖中可以看出，DMA狀態(tài)控制寄存器配置完成后，dma_wr_start信號(hào)有效，即啟動(dòng)DMA寫(xiě)操作。此后PCI Express Core開(kāi)始在發(fā)送事務(wù)接口上發(fā)送存儲(chǔ)器寫(xiě)事物包，事物包的地址、大小已經(jīng)在DMA狀態(tài)控制寄存器中配置。

2.2 DMA讀設(shè)計(jì)驗(yàn)證

數(shù)據(jù)流向：PC硬盤(pán)→PC內(nèi)存→PCI Express Master DMA Read→下行FIFO數(shù)據(jù)。

整個(gè)DMA讀過(guò)程如下：(1)復(fù)位FPGA邏輯，延時(shí)1 ms;去除FPGA邏輯，延時(shí)1 ms。(2)檢測(cè)硬件鏈路初始化。(3)開(kāi)啟DMA讀完成中斷。(4)設(shè)置DMA讀目的地址寄存器，設(shè)置DMA讀傳輸長(zhǎng)度寄存器。(5)PC硬盤(pán)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)到內(nèi)存。(6)啟動(dòng)DMA讀操作，選擇回放路徑。(7)等待DMA讀完成中斷。(8)清除中斷，硬盤(pán)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)到內(nèi)存。(9)DMA讀是否結(jié)束，是則轉(zhuǎn)至步驟(10);否則轉(zhuǎn)至步驟(4)。(10)終止DMA讀，關(guān)閉DMA讀完成中斷，斷開(kāi)回放路徑。

下面給出從系統(tǒng)內(nèi)存到PCI Express Core的DMA讀時(shí)序，圖3是用ChipScope截取的時(shí)序圖。

T1～T2之間核接收事務(wù)接口上m_axis_rx_tvalid與m_axis_rx_tlast共同有效了3次。此處需要說(shuō)明的是DMA讀操作在配置完寄存器后需要先從PC硬盤(pán)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)到內(nèi)存開(kāi)辟的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，此后才能開(kāi)始DMA讀操作，故T1～T2之間核接收事務(wù)接口上m_axis_rx_tvalid與m_axis_rx_ tlast有效為配置DMA讀地址和啟動(dòng)DMA讀操作。當(dāng)DMA讀操作啟動(dòng)后，核的發(fā)送事務(wù)接口上s_axis_tx_tvalid與s_axis_tx_tlast有效，發(fā)送存儲(chǔ)器讀請(qǐng)求包，當(dāng)PC收到PCI Express Core發(fā)出的存儲(chǔ)器讀請(qǐng)求包后會(huì)根據(jù)TLP中的信息回復(fù)相應(yīng)的Cpld完成包。根據(jù)PCIExpress總線規(guī)范中對(duì)PCI Express序的規(guī)定，允許接收事務(wù)接口在接收Cpld完成包的同時(shí)發(fā)送事務(wù)接口在發(fā)送存儲(chǔ)器讀請(qǐng)求包，見(jiàn)圖中T1～T2之間所示。

2.3 PCI Express中斷控制

當(dāng)DMA寫(xiě)結(jié)束，即dma_wr_done或dma_rd_done其中之一有效時(shí)，用戶應(yīng)該通過(guò)配置接口cfg_interrupt和cfg_interrupt_assert來(lái)提交中斷，當(dāng)核接收到有效中斷時(shí)將cfg_interrupt_rdy置為有效，表示中斷請(qǐng)求被接受。PC通過(guò)讀DMA中斷寄存器從而認(rèn)領(lǐng)中斷事務(wù)，響應(yīng)處理中斷后清除中斷。用ChipScope捕獲的DMA讀寫(xiě)完成中斷時(shí)序，如圖4所示。

3 系統(tǒng)性能測(cè)試

系統(tǒng)性能測(cè)試結(jié)果如表1所示。存儲(chǔ)器讀寫(xiě)DMA數(shù)據(jù)有效帶寬測(cè)試為DMA啟動(dòng)到最后一個(gè)存儲(chǔ)器寫(xiě)TLP或最后一個(gè)存儲(chǔ)器讀完成包，測(cè)試數(shù)據(jù)總量為8 GB。

測(cè)試平臺(tái)：Xilinx ML605開(kāi)發(fā)板(Virtex-6 FPGA);Windows7 64位操作系統(tǒng)，Windriver驅(qū)動(dòng);PCIExpress鏈路寬度：X8，PCI Express Core版本：V2.5;MaxPayload Size：128 Bytes;Max Read Request Size：512 Byte;Root Complex Read Completion Boundary：64 Byte。

4 結(jié)束語(yǔ)

研究了基于Xilinx PCI Express Core的高速DMA讀寫(xiě)設(shè)計(jì)，適用于現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)和高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求，并具有良好的移植和擴(kuò)展性。文中給出了DMA設(shè)計(jì)框圖，并對(duì)系統(tǒng)各部分進(jìn)行了分析。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中主要研究了PCI Express Master DMA讀寫(xiě)設(shè)計(jì)及中斷控制，并給出了DMA讀寫(xiě)和中斷控制的采樣時(shí)序，通過(guò)系統(tǒng)性能測(cè)試數(shù)據(jù)，可以看出本文所設(shè)計(jì)的基于Xilinx PCI Express Core的高速DMA讀寫(xiě)可以滿足高速信號(hào)處理的要求。