基于FPGA的LBS控制器設(shè)計(jì)

0 引言

PLX的一款橋芯片PEX8311可將標(biāo)準(zhǔn)處理器、DSP和FPGA總線接口升級(jí)為PCI Express(PCIe)。PEX8311單道PCIe至32位、66 MHz通用局部總線橋可在兩種標(biāo)準(zhǔn)間轉(zhuǎn)換協(xié)議，它可用于通訊線路卡、監(jiān)視系統(tǒng)、工業(yè)控制、IP媒體服務(wù)器和醫(yī)療成像系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)可升級(jí)的高帶寬互聯(lián)。采用根聯(lián)合體或終端點(diǎn)的PCI嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)可采用PEX8311橋芯片移植到PCIe。本文就是基于PEX8311和FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)PCIe標(biāo)準(zhǔn)1x傳輸。

1 系統(tǒng)介紹

FPGA和PEX8311之間通過(guò)LBS(LocalBus)來(lái)連接、發(fā)送和接收命令及數(shù)據(jù)，其中FPGA主要控制LBS的運(yùn)行，本文通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)高效、可靠的LBS控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)FPGA和PEX8311的通信。如圖1所示。

本系統(tǒng)的控制的核心是LBS控制器，該控制器是通過(guò)FPGA采用VerilogHDL實(shí)現(xiàn)的，其優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性強(qiáng)、不會(huì)造成死機(jī)，避免了常規(guī)的PC I，PCIe板卡類經(jīng)常死機(jī)的問(wèn)題，其次是傳輸速率高，充分利用LBS的時(shí)序，減少無(wú)用的等待時(shí)間。

FPGA采用Altera公司的Cyclone3系列的3C120款FPGA芯片。Cyclone3是功耗最低、成本最低的高性能FPGA產(chǎn)品，鑒于上述特點(diǎn)本設(shè)計(jì)采用它來(lái)實(shí)現(xiàn)PCIe的傳輸功能。

PEX8311是PLX公司的一款x1的PCI Express接口芯片，本地端總線頻率最高可達(dá)66 MHz，數(shù)據(jù)位寬為32 b。PEX8311有主模式、從模式和DMA三種數(shù)據(jù)傳輸模式，可靈活、方便地與各CPU，F(xiàn)PGA和ASIC無(wú)縫連接，實(shí)現(xiàn)高速傳輸。

2 LBS控制器設(shè)計(jì)

2．1 控制信號(hào)介紹

Hold信號(hào)：請(qǐng)求控制總線的信號(hào)，F(xiàn)PGA向PEX8311發(fā)出控制總線的請(qǐng)求。
Holda信號(hào)：PEX8311響應(yīng)FPGA請(qǐng)求的信號(hào)。
LCLK信號(hào)：時(shí)鐘輸入信號(hào)。
ADS信號(hào)：地址選通信號(hào)。
BLAST信號(hào)：最后一個(gè)數(shù)據(jù)的同步信號(hào)。
LA[31：2]信號(hào)：地址線。
LD[31：0]信號(hào)：數(shù)據(jù)線。
LW／R信號(hào)：讀寫(xiě)控制。
Ready信號(hào)：數(shù)據(jù)有效信號(hào)。

2．2 LBS總線讀寫(xiě)操作時(shí)序介紹

LBS總線操作有單次讀寫(xiě)和Burst讀寫(xiě)方式，本設(shè)計(jì)中采用單次讀寫(xiě)設(shè)計(jì)用來(lái)傳輸FPGA內(nèi)部的寄存器讀寫(xiě)控制，這些寄存器是用于配置各邏輯模塊的功能控制，通過(guò)CPU或軟件來(lái)實(shí)時(shí)控制；Burst讀寫(xiě)方式主要用于大批量數(shù)據(jù)傳輸，本文中主要是傳輸高速的DDR數(shù)據(jù)，利用Burst傳輸方式可以實(shí)現(xiàn)高速自動(dòng)大容量數(shù)據(jù)傳輸，充分利用LBS的傳輸帶寬，提高傳輸效率。

2．3 PEX8311芯片介紹

PEX8311芯片的LBS端具有32位數(shù)據(jù)總線寬度和66 MHz時(shí)鐘頻率，PEX8311支持三種LBS總線接口模式：C模式，J模式和M模式，可方便地與多種微處理器連接。接口模式由MODE0和MODE1兩管腳確定。本設(shè)計(jì)采用時(shí)序邏輯相對(duì)簡(jiǎn)單的C模式，即非復(fù)用的地址／數(shù)據(jù)總線模式。PEX8 311支持三種局部總線數(shù)據(jù)傳輸模式：?jiǎn)沃芷谀Ｊ?、四周期突發(fā)模式、連續(xù)突發(fā)模式。

DMA傳輸數(shù)據(jù)使傳輸任務(wù)從主控設(shè)備中解脫出來(lái)，由短且有效的傳輸描述符來(lái)承擔(dān)，讓主控設(shè)備可以有時(shí)間去處理其他事件。PEX8311有兩個(gè)DMA通道，可以同時(shí)處理兩側(cè)總線上要求的傳輸，免去外部設(shè)備的等待。另外，DMA傳輸可以與主模式和從模式傳輸同步操作，但后兩者比DMA傳輸優(yōu)先級(jí)高?？紤]到DMA傳輸有以上優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)中PCI Express接口部分采用連續(xù)突發(fā)模式DMA塊傳輸模式，LBS總線接口采用C模式。

2．4 LBS狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)
LBS共設(shè)計(jì)有4個(gè)狀態(tài)：IDLE，START，DO，BUSY。其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖2所示。

IDLE：空閑狀態(tài)。

START：當(dāng)ADS地址選通有效時(shí)進(jìn)入此狀態(tài)，進(jìn)行地址空間判斷。

DO：當(dāng)?shù)刂房臻g有效，并且傳輸條件滿足時(shí)進(jìn)入傳輸狀態(tài)，每個(gè)時(shí)鐘判斷條件，當(dāng)條件滿足時(shí)繼續(xù)該狀態(tài)，當(dāng)條件不滿足時(shí)，進(jìn)入BUSY等待狀態(tài)，傳輸結(jié)束(BLAST有效)進(jìn)入IDLE狀態(tài)。

BUSY：當(dāng)數(shù)據(jù)沒(méi)準(zhǔn)備好時(shí)，在BUSY狀態(tài)等待，當(dāng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后進(jìn)入DO狀態(tài)，當(dāng)超時(shí)后進(jìn)入IDLE狀態(tài)，實(shí)時(shí)退出。

2．5 LBS狀態(tài)機(jī)工作流程

FPGA作為L(zhǎng)BS的邏輯控制器，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)好與DDR_FIFO數(shù)據(jù)和PEX8311之間的時(shí)序關(guān)系。系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)時(shí)，首先由驅(qū)動(dòng)程序向PEX8311發(fā)送復(fù)位信號(hào)，通過(guò)LRESET復(fù)位LBS本地端的FPGA，清空FPGA內(nèi)部DDR_FIFO內(nèi)部數(shù)據(jù)，并將HF和FF標(biāo)志置為無(wú)效，然后等待數(shù)據(jù)的輸入。FPGA讀入DDR數(shù)據(jù)后，首先將DDR數(shù)據(jù)寫(xiě)入DDR_FIFO中，當(dāng)DDR_FIFO中的數(shù)據(jù)達(dá)到半滿狀態(tài)時(shí)，HF標(biāo)志位有效，通過(guò)FPGA向PEX8311發(fā)出DMA中斷請(qǐng)求。PC機(jī)響應(yīng)中斷后，設(shè)置DMA傳輸模式，傳輸字節(jié)數(shù)及地址信號(hào)等。PEX8311通過(guò)LHOLD申請(qǐng)控制本地總線，此時(shí)FPGA發(fā)出的LHOLDA響應(yīng)信號(hào)后獲得本地總線的控制權(quán)，并立即進(jìn)入連續(xù)字節(jié)突發(fā)模式的Block DMA周期即由IDLE狀態(tài)到START狀態(tài)。FPGA在收到有效的LW／R讀信號(hào)和ADS地址選通信號(hào)后，進(jìn)入DO狀態(tài)，同時(shí)發(fā)出Ready本地準(zhǔn)備好應(yīng)答信號(hào)，使能DDR_FIFO的讀允許REN和輸出允許OE。在傳輸最后一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，PEX8311發(fā)出BLAST信號(hào)，F(xiàn)PGA配置DDR_FIFO讀使能和輸出使能無(wú)效，并取消Ready從而結(jié)束DMA周期。PC系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，F(xiàn)PGA將計(jì)算機(jī)通過(guò)PCIe傳過(guò)來(lái)的LBS數(shù)據(jù)寫(xiě)入PC_FIFO中，再輸出寫(xiě)入到DDR中。

2．6 LBS狀態(tài)機(jī)核心編碼設(shè)計(jì)

按照上述4個(gè)狀態(tài)進(jìn)行Verilog設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)仿真和上板調(diào)試，效果很好，下面是狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)程序，仿真時(shí)序圖如圖3，圖4所示。


3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的LBS控制器應(yīng)用在PEX8311和FPGA接口中運(yùn)行狀態(tài)正常，穩(wěn)定性強(qiáng)，已成功應(yīng)用于某視頻采集卡、某PCIe數(shù)據(jù)采集卡，經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明，基于FPGA設(shè)計(jì)的LBS控制器具有靈活性強(qiáng)、可編程能力強(qiáng)、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能迅速縮短產(chǎn)品上市時(shí)間、快速響應(yīng)客戶需求，滿足市場(chǎng)需要。