種基于PCD656的高速PCI總線接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)代雷達(dá)信號(hào)處理具有數(shù)據(jù)量大、實(shí)時(shí)性高等特點(diǎn)，而總線傳輸?shù)男蕸Q定了系統(tǒng)的性能，目前普遍使用標(biāo)準(zhǔn)化的PCI總線技術(shù)，以便升級(jí)更新。為加快產(chǎn)品開發(fā)和降低設(shè)計(jì)難度，一般有兩種解決方法：采用通用的PCI芯片或IP核。目前常用的PCI芯片如PCD054、PCD052等雖然性能穩(wěn)定、使用方便，但它們只適用33 MHz、32位總線接口，受時(shí)序設(shè)計(jì)和應(yīng)用程序效率等影響，總線傳輸速度約穩(wěn)定在70 MB·s-1；使用IP核雖可以兼容66 Hz、64位總線且節(jié)省板卡面積，但其價(jià)格昂貴不利于高校及中小企業(yè)推廣使用。而PCI9656適用于66 MHz、64位的PCI總線，因此逐漸成為總線開發(fā)的主流元器件，使得總線傳輸速度達(dá)到了150 MB·s-1甚至更高。

　　本文利用高效PCI芯片和FPGA設(shè)計(jì)了一款64位總線傳輸接口電路，傳輸速度達(dá)到212 MB·s-1，較以往總線傳輸速度有了較大地提高，滿足了目前高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的要求。

　　1 PCI總線接口架構(gòu)

　　本系統(tǒng)主要由PCI9656和FPGA構(gòu)成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。當(dāng)主機(jī)發(fā)起讀寫操作時(shí)PCI9656需要響應(yīng)其操作，并將相應(yīng)命令發(fā)送到FPGA進(jìn)行處理，F(xiàn)PGA進(jìn)行處理后將數(shù)據(jù)和命令通過PCI9656回傳給主機(jī)。PCI9656與主機(jī)之間的通信需要相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序支持，而FPGA響應(yīng)主機(jī)命令則需要配置相應(yīng)的局部時(shí)序。因此，本設(shè)計(jì)主要的工作為設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)和FPGA局部時(shí)序的設(shè)計(jì)。

　　2 PCI9656性能概述

　　PCI9656是PLX公司推出的一款兼容32位和64位PCI總線標(biāo)準(zhǔn)的橋接芯片，采用PLX數(shù)據(jù)流水線結(jié)構(gòu)（Data Pipe Architecture），內(nèi)部配有DMA控制器、可編程主模式傳輸及從模式傳輸；內(nèi)部有PCI優(yōu)先判決器，可以支持外部7個(gè)外部主控器；可由本地中斷信號(hào)LINTi和LINTo生成一個(gè)PCI中斷信號(hào)INTA；本地時(shí)鐘獨(dú)立于PCI時(shí)鐘工作；支持位寬為8位、16位和32位的66，MHz本地總線。PCI9656寄存器與PCI9054寄存器兼容，可容易地進(jìn)行基于32位PCI總線與基于64位PCI總線的軟件移植。

　　PCI 9656具有6條獨(dú)立的數(shù)據(jù)通道，分別支持Direct Master、Direct Slave以及DMA功能模式下的數(shù)據(jù)傳輸。

　　（1）Direct Master模式。用于局部總線到PCI（CompactPCI）的數(shù)據(jù)傳輸，主控設(shè)備在局部總線端。16 QWord（128 Byte）和32 QWords（256Byte）的FIFO各應(yīng)用于數(shù)據(jù)的讀、寫通道。

　?。?）Direct Slave模式。用于PCI（CompactPCI）到局部總線的數(shù)據(jù)傳輸，主控設(shè)備在PCI端。16QWords（128 Byte）和32 QWords（256 Byte）的FIFO各應(yīng)用于數(shù)據(jù)的讀、寫通道。

　　（3）DMA模式。DMA傳輸時(shí)PCI9656同時(shí)是PCI和局部總線的主控設(shè)備，PCI 9656有兩條DMA通道（Channel 0、Channel 1），每條通道都由一DMA控制器和32 QWords（256 Byte）雙向FIFO組成。其DMA方式有常規(guī)的塊模式（Block Mode）、集散模式（Scatter／Gather Mode）和命令模式（Demand Mode）。

　　在局部總線端，根據(jù)不同的處理器PCI9656有3種工作模式。

　　（1）M模式。支持Motorola 32 bit的處理器，提供了可與MPC850／860 PowerQUICC直接相連的接口。

　?。?）C模式。適合大多數(shù)處理器的通用模式，比如常用的FPGA，在本設(shè)計(jì)中采用此模式。

　　（3）J模式。與C模式類似，但其地址線與數(shù)據(jù)線復(fù)用。

　　3 總線設(shè)備驅(qū)動(dòng)開發(fā)

　　在Windows環(huán)境下開發(fā)PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序主要有兩種模型，即WinDriver和WDM。本設(shè)計(jì)使用了WDM驅(qū)動(dòng)模型。開發(fā)PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序WDM需要處理：硬件訪問、中斷處理和DMA傳輸3方面問題。

　　3.1 硬件訪問

　　X86處理器有兩種獨(dú)立的映射空間：I／O空間和內(nèi)存空間，I／O空間只能通過I／O指令來訪問，KIoRange類封裝了對(duì)I／O空間的操作命令。對(duì)于設(shè)計(jì)的PCI設(shè)備，可以通過實(shí)例化KIoRange類來對(duì)I／O空間進(jìn)行相應(yīng)的操作。

　　對(duì)于PCI設(shè)備可以使用KMemoryRange類對(duì)內(nèi)存進(jìn)行相應(yīng)操作，具體操作與KIoRange類對(duì)I／O空間的操作相似。

　　3.2 中斷處理

　　驅(qū)動(dòng)程序使用KInterrupt類來實(shí)現(xiàn)對(duì)中斷操作的處理，其中包括中斷的初始化、將一個(gè)中斷服務(wù)例程連接到一個(gè)中斷和解除其連接等。

　　中斷服務(wù)例程不是KInterrupt類的成員函數(shù)，這是為了減少中斷延遲時(shí)間。中斷處理需要中斷服務(wù)例程和延遲過程調(diào)用例程，在中斷服務(wù)例程中，首先判斷該中斷是否是自己設(shè)備產(chǎn)生的，若不是，則返回False；若是，則請(qǐng)求一個(gè)延遲過程調(diào)用例程（DPC）。

　　3.3 DMA傳輸

　　PCI9656使用DMA方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。實(shí)現(xiàn)DMA傳輸需要3個(gè)類：KDmaAdapter，KDmaTransfer和KCommonDmaBuffer。其中，KDmaAdapter類用于建立一個(gè)DMA適配器，它說明了DMA通道的特性，如總線寬度，單次傳輸最大個(gè)數(shù)等，需要注意的是本設(shè)備使用的是64位總線寬度，因此需要特別指出；KDmaTransfer類用于DMA傳輸控制，如傳輸開始、傳輸字節(jié)數(shù)等；KCommonDmaBuffer類用于申請(qǐng)系統(tǒng)提供的公共緩沖區(qū)。具體DMA傳輸設(shè)置如下

　　OnDmaReady例程中獲取傳輸?shù)奈锢韮?nèi)存的地址和字節(jié)數(shù)，然后設(shè)置相應(yīng)的DMA寄存器值開始DMA傳輸。DMA傳輸結(jié)束后，應(yīng)使m_CmxentTm-nsfer無效并刪除。具體流程如圖2所示。

　　4 局部總線端設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)中，局部總線端采用了C模式。C模式下可配置3種數(shù)據(jù)傳輸方式：?jiǎn)沃芷诜绞剑⊿ingle Cycle Mode）、4字方式（Brust-4 Mode）和連續(xù)突發(fā)傳輸方式（Continuous Mode），在本設(shè)計(jì)中采用了連續(xù)突發(fā)方式，可以有效地提高輸出效率。

　　PCI9656在局部總線為為主設(shè)備，始終占用局部總線，局部總線端的FPGA始終響應(yīng)PCI9656的操作。方案中使用PCI9656的DMA傳輸模式，在本地端不需要進(jìn)行地址譯碼，因此可以對(duì)PCI9656的控制信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，PCI9656的局部端主要控制信號(hào)如下

　　ADS#：一次總線訪問開始；

　　Blast#：總線訪問結(jié)束；

　　LW／R#：讀寫控制信號(hào)；

　　Ready#：從設(shè)備準(zhǔn)備好信號(hào)，有效時(shí)表示總線訪問進(jìn)行中；

　　LHOLD：PCI9656占用本地總線申請(qǐng)信號(hào)；

　　LHOLDA：占用本地總線應(yīng)答信號(hào)；

　　Wait#：主設(shè)備傳輸暫停信號(hào)；

　　EOT#：數(shù)據(jù)傳輸異常中止信號(hào)，用于FIFO溢出或空時(shí)中斷數(shù)據(jù)傳輸；

　　Lint#：用于引起CompaetPCI總線端的中斷信號(hào)；

　　LRST#：本地總線復(fù)位信號(hào)；

　　CCS#：配置寄存器選擇信號(hào)。

　　在DMA傳輸過程中主要關(guān)心的信號(hào)可簡(jiǎn)化為：ADS#、Blast#、LW／R#、Ready#、LHOLD、LHOLDA，如圖3所示。

　　圖3中，lclk為本地總線時(shí)鐘，當(dāng)PCI9656要發(fā)起一次DMA操作時(shí)，先發(fā)送lhold信號(hào)申請(qǐng)本地總線，若本地總線空閑則FPGA發(fā)出lholda信號(hào)響應(yīng)PCI9656，然后PCI有效ads_n信號(hào)以示總線傳輸開始，F(xiàn)PGA使ready_n有效以示總線傳輸正在進(jìn)行中，此時(shí)本地?cái)?shù)據(jù)通過局部數(shù)據(jù)線傳送到PCI總線，或著數(shù)據(jù)由PCI總線傳送到局部邏輯。一次傳輸結(jié)束時(shí)PCI使blast_n信號(hào)有效并使lhold信號(hào)無效，然后FPGA使lholda信號(hào)和ready_n信號(hào)無效，一次DMA傳輸完成。傳輸中若是DMA讀操作則lwr信號(hào)拉低，若為寫操作則拉高。

　　本地總線位寬為32位，因此本地總線理論速度為264MB·s-1，由于應(yīng)用程序的效率問題和傳輸中一些無效狀態(tài)的存在，目前PCI總線平均速率達(dá)到212 MB·s-1，可以滿足目前高速數(shù)據(jù)采集、傳輸對(duì)總線傳輸速度的要求。

　　PCI9656本地總線時(shí)序設(shè)計(jì)中需要注意blast_n信號(hào)有效說明為突發(fā)傳輸最后一個(gè)時(shí)鐘周期，此時(shí)ready_n信號(hào)仍然為有效，否則會(huì)造成總線等待；在正常讀寫訪問中CCS#信號(hào)應(yīng)置高，否則總線訪問將指向配置空間而非內(nèi)存或I／O空間。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　利用PCI9656和FPGA實(shí)現(xiàn)了一種高速PCI總線接口，較全面地論述了總線驅(qū)動(dòng)開發(fā)和局部時(shí)序設(shè)計(jì)的過程。這種設(shè)計(jì)提高了總線傳輸速度，為高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造了條件。