一種基于PCI總線的反射內(nèi)存卡系統(tǒng)設計

對實時傳輸， 傳統(tǒng)的以太網(wǎng)絡由于傳輸協(xié)議開銷的不確定性， 很難滿足實時網(wǎng)絡的要求， 實時網(wǎng)絡是一種應用于高實時性要求的專用網(wǎng)絡通信技術， 一般采用基于高速網(wǎng)絡的共享存儲器技術實現(xiàn)。除了具有嚴格傳輸確定性和可預測性外， 還具有傳輸速度高、通訊協(xié)議簡單、軟硬件平臺適應性強、可靠的傳輸糾錯能力、支持中斷信號的傳輸?shù)忍攸c。鑒于以上原因， 設計一款反射內(nèi)存卡， 寫入一個節(jié)點的內(nèi)存的數(shù)據(jù)可以通過網(wǎng)絡硬件傳輸?shù)狡渌械墓?jié)點。

2 硬件設計

反射內(nèi)存卡系統(tǒng)的總體框圖如圖1 所示， 主要由5部分組成:FPGA、PCI 接口、SDRAM、數(shù)據(jù)編解碼電路、光纖收發(fā)電路。

其中，F(xiàn)PGA 內(nèi)部包含SDRAM控制器和FIFO 控制器、編解碼控制器、接收FIFO、發(fā)送FIFO、中斷FIFO及中斷控制等。FPGA 選用Cyclone II 系列的EP2C35F484C7;PCI 選用PLX 公司的PCI9054，能夠提供兩個獨立的DMA 引擎，每個都可以進行讀寫，在一個DMA 讀取數(shù)據(jù)的同時另一個DMA 可以寫入數(shù)據(jù)，加快系統(tǒng)工作速度; 編解碼芯片選用安捷倫的H D M P -1636A，提供十位的并行IO，串行數(shù)據(jù)傳輸速率達1062.5MBd，負責數(shù)據(jù)串并行和并串行轉換，以便與光纖收發(fā)器內(nèi)部數(shù)據(jù)格式進行匹配; 光纖收發(fā)器選用安捷倫的HFBR-57L5AP，支持多模光纖，串行傳輸速率達1.0625Gb/s，負責將電信號轉化為光信號， 通過光纖向下一節(jié)點傳輸。

圖1 反射內(nèi)存卡系統(tǒng)的總體框圖

2.1 SDRAM 控制器

與雙端口RAM 相比，SDRAM 容量大、價格低，采用128M 的SDRAM 作為反射內(nèi)存卡的數(shù)據(jù)存儲器。由于SDRAM 讀寫不能同時進行，且需要刷新維護，因此，需要設計SDRAM 控制器。

SDRAM 控制器實現(xiàn)對SDRAM 的讀寫控制與仲裁，提供類似于雙端口RAM 的外部接口。SDRAM 控制器內(nèi)部由初始化模塊、刷新計數(shù)器、地址多路開關、仲裁及信號產(chǎn)生器等組成，SDRAM 控制器結構如圖2 所示。

圖2 SDRAM 控制器結構圖

SDRAM 控制器內(nèi)部各模塊功能如下:

(1) 初始化模塊在上電之后對SDRAM 的模式寄存器進行設置;(2) 刷新計數(shù)器對SDRAM 進行定時刷新;(3) 地址多路開關將地址總線上的地址轉化為SDRAM 的行列地址;(4) 仲裁機構要對上位機讀、上位機寫、網(wǎng)絡寫和刷新等操作做出仲裁。當讀寫和刷新同時產(chǎn)生時， 先完成相應的讀寫操作然后再刷新， 而上位機讀、上位機寫、網(wǎng)絡寫這三種操作的優(yōu)先級從高到低依次是網(wǎng)絡寫、上位機讀、上位機寫;(5) 信號產(chǎn)生器根據(jù)不同的讀寫操作產(chǎn)生不同的讀寫信號， 從而SDRAM 可以正常工作， 而不發(fā)生讀寫沖突。

2.2 FIFO 控制器

在峰值速率下進行數(shù)據(jù)傳輸，SDRAM 存儲器很難達到要求，所以使數(shù)據(jù)經(jīng)過FIFO 緩存后發(fā)送或接收，可以降低了對存儲器傳輸速率的要求， 實現(xiàn)較高的傳輸速率。設計了FIFO 控制器，它由數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)封裝、仲裁、讀信號產(chǎn)生器、寫信號產(chǎn)生器組成。FIFO 控制器結構如圖3 所示。

圖3 FIFO 控制器結構圖

FIFO 控制器內(nèi)部各模塊功能如下:

(1) 數(shù)據(jù)解析對從網(wǎng)絡中接收的數(shù)據(jù)進行判斷，如果是中斷事件將中斷數(shù)據(jù)寫到中斷FIFO 中，如果是需要共享的數(shù)據(jù)則一部分送到SDRAM 控制器，一部分送仲裁機構;(2) 數(shù)據(jù)封裝對本節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)重新打包，加入數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)包長度、發(fā)送節(jié)點ID、目標節(jié)點ID 及校驗等相關信息，以便于其他節(jié)點對數(shù)據(jù)進行解析;(3) 仲裁機構對來自接收FIFO 的數(shù)據(jù)和本節(jié)點發(fā)送到數(shù)據(jù)進行仲裁， 當他們同時到達時來自接收FIFO的數(shù)據(jù)優(yōu)先;(4) 讀信號產(chǎn)生器在接收到半滿中斷時產(chǎn)生讀信號，從接收FIFO 中讀出相應的數(shù)據(jù)，避免FIFO 充滿或溢出;(5) 寫信號產(chǎn)生器在仲裁機構向下發(fā)送數(shù)據(jù)時給發(fā)送FIFO一個寫信號。FIFO控制器仿真時序如圖4所示。

圖4 FIFIO 控制器仿真時序

編解碼控制器由信號產(chǎn)生器、數(shù)據(jù)校驗、8B/10B編碼、8B/10B 解碼組成。編解碼控制器結構如圖5 所示。在這部分主要是進行數(shù)據(jù)8B/10B 編解碼，以與編解碼芯片數(shù)據(jù)格式匹配同時給編解碼芯片的正常工作提供控制信號，數(shù)據(jù)編解碼控制器仿真時序如圖6 所示。