應(yīng)用PCI 9656的數(shù)據(jù)接收卡設(shè)計(jì)

　　數(shù)據(jù)傳輸是數(shù)字信號(hào)處理過(guò)程中的重要一環(huán)，其效率影響整個(gè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的性能。數(shù)據(jù)傳輸往往采用行業(yè)中標(biāo)準(zhǔn)化的總線(xiàn)技術(shù)，使數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可靠、方便、易于升級(jí)。PCI作為一種成熟的總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用于許多系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程。針對(duì)工業(yè)環(huán)境建立的CompactPCI標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合了PCI的電氣特性與優(yōu)良的機(jī)械特性，在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用更為廣泛。在設(shè)計(jì)基于PCI或CompactPCI總線(xiàn)的數(shù)字設(shè)備時(shí)，采用各公司提供的通用PCI I/O芯片或IP核，可簡(jiǎn)化復(fù)雜的PCI接口設(shè)計(jì)，加快產(chǎn)品的研發(fā)和升級(jí)。PCI 9656是PLX公司為高速PCI（CompactPCI）總線(xiàn)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的通用I/O芯片，適用于66MHz、64bit的PCI（CompactPCI）總線(xiàn)，提供了528MB/s（PCI總線(xiàn)）和264MB/s（局部總線(xiàn)）的突發(fā)傳輸速度，能夠滿(mǎn)足大多高速數(shù)字系統(tǒng)的性能要求。

　　1 PCI 9656功能簡(jiǎn)述

　　PCI 9656支持66MHz、64bit的PCI R2.2規(guī)范，提供了兼容PICMG 2.1 R2.0規(guī)范的CompactPCI Hot Swap接口，其局部總線(xiàn)達(dá)到66MHz、32bit（支持0~66MHz、8/16bit），可為PCI（CompactPCI）適配器及嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供高性能的總線(xiàn)接口。PCI 9656的配置寄存器與PCI 9054、PCI9056兼容，也方便了原有設(shè)計(jì)的移植。

　　PCI 9656具有6條獨(dú)立的數(shù)據(jù)通道，用于Direct Master、Direct Slave以及DMA功能模式下的數(shù)據(jù)傳輸，其深FIFO設(shè)計(jì)有效提升了總線(xiàn)的突發(fā)傳輸性能。

　　1 Direct Master模式。用于局部總線(xiàn)到PCI（CompactPCI）的數(shù)據(jù)傳輸，16 QWords（128byte）和32 QWords（256byte）的FIFO各應(yīng)用于數(shù)據(jù)的讀、寫(xiě)通道。

　　2 Direct Slave模式。用于PCI（CompactPCI）到局部總線(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸，16 QWords（128byte）和32 QWords（256byte）的FIFO各應(yīng)用于數(shù)據(jù)的讀、寫(xiě)通道。

　　3 DMA模式。PCI 9656提供了兩條DMA通道（Channel 0、Channel 1），使用了兩獨(dú)立的32 QWords（256byte）雙向FIFO。兩條DMA通道可同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，通過(guò)PCI 9656的MARBR寄存器可配置其優(yōu)先級(jí)關(guān)系。PCI 9656的DMA方式有常規(guī)的塊模式（Block mode）和集散模式（Scatter/Gather mode），而且支持以DREQ#、DASK#信號(hào)請(qǐng)求、應(yīng)答的命令模式（Demand mode），可應(yīng)用于通信領(lǐng)域中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。

　　在局部總線(xiàn)端，PCI 9656簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)的傳輸控制邏輯，與ISA總線(xiàn)類(lèi)似，方便了傳輸控制的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。PCI 9656的局部總線(xiàn)有三種應(yīng)用模式，可以適用不同的嵌入式處理器。

　　1 M模式。支持Motorola 32bit的處理器，提供了可與MPC850、MPC860 PowerQCICC 直接相連的接口。

　　2 C模式。適合大多數(shù)處理器的通用模式，在設(shè)計(jì)中多采用此模式。

　　3 J模式。與C模式類(lèi)似，但其地址線(xiàn)與數(shù)據(jù)線(xiàn)復(fù)用。

　　2 數(shù)據(jù)接收卡設(shè)計(jì)

　　PCI 9656片內(nèi)資源豐富，功能多樣，采用PCI 9656為接口芯片，可方便地進(jìn)行PCI（Compact）適配器的設(shè)計(jì)。而在PCI 9656的局部總線(xiàn)端，往往不需要實(shí)現(xiàn)其全部邏輯功能，可依據(jù)需要選取配置，更進(jìn)一步簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。

　　圖1是應(yīng)用PCI 9656的CompactPCI數(shù)據(jù)記錄卡的設(shè)計(jì)框圖，此數(shù)據(jù)接收卡應(yīng)用于一款合成孔徑雷達(dá)的數(shù)據(jù)記錄器中，數(shù)據(jù)源為34bit的差分信號(hào)，32bit數(shù)據(jù)，1bit采樣時(shí)鐘，1bit數(shù)據(jù)有效標(biāo)志位。圖1中：時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)ICS553向PCI 9656、邏輯控制模塊和FIFO提供同步時(shí)鐘信號(hào)；初始化配置芯片采用Microchip 93LC56B，PCI 9000系列提供3線(xiàn)的E2PROM串行接口，可在系統(tǒng)上電時(shí)初始化內(nèi)部配置寄存器；差分到單端信號(hào)的轉(zhuǎn)換經(jīng)由Ti公司的LVDT386和390完成；FIFO采用了IDT公司所設(shè)計(jì)的高速、低功耗的72T36135M，數(shù)據(jù)容量為512K×36bit，使用易于級(jí)聯(lián)的First Word Follow Through工作模式；邏輯控制部分采用Altera的MAXII EPM1270，實(shí)現(xiàn)FIFO到PCI 9656局部總線(xiàn)間的數(shù)據(jù)傳輸控制。

　　2.1 PCI9656的設(shè)計(jì)應(yīng)用

　　在CompactPCI端，PCI 9656提供了66MHz、64bit總線(xiàn)應(yīng)用所需信號(hào)，可依據(jù)CompactPCI規(guī)范連接，通過(guò)簡(jiǎn)單的外部電路，可實(shí)現(xiàn)Hot Swa p功能。

　　在局部總線(xiàn)端，采用了PCI 9656的C模式。在C模式下，PCI 9656的局部總線(xiàn)可配置實(shí)現(xiàn)三種數(shù)據(jù)傳輸邏輯。（1）Single cycle mode。每次傳輸1個(gè)數(shù)據(jù)（8/16/32bit），默認(rèn)的傳輸模式。（2）Burst-4 mode。每次4個(gè)數(shù)據(jù)，應(yīng)用Intel i960與IBM PPC401處理器時(shí)的推薦模式。（3）Continuous burst mode。多數(shù)據(jù)的連續(xù)突發(fā)傳輸模式，提供了最大的數(shù)據(jù)吞吐量。在傳輸過(guò)程中，從設(shè)備（Slave）可通過(guò)Bterm#信號(hào)停止傳輸過(guò)程。模式2與模式3只選其一，模式1始終可用。在數(shù)據(jù)接收卡中，采用了連續(xù)突發(fā)（Continuous burst）模式，可以有效的利用局部總線(xiàn)帶寬。

　　分析接收卡的設(shè)計(jì)：局部總線(xiàn)端無(wú)處理器，PCI 9656在此端為主設(shè)備（Master），始終占用總線(xiàn)，負(fù)責(zé)邏輯控制的CPLD為從設(shè)備（Slave），始終響應(yīng)PCI 9656。數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程只利用了PCI 9656的Direct Slave和DMA模式，，而且不需DMA的命令模式，運(yùn)行過(guò)程中數(shù)據(jù)通過(guò)FIFO單向傳輸，不需解碼地址信號(hào)，對(duì)CPLD的控制可通過(guò)向其寫(xiě)命令碼完成。因此，可以對(duì)PCI 9656的許多信號(hào)簡(jiǎn)化處理，只需實(shí)現(xiàn)如下信號(hào)的時(shí)序要求：

　　LD[31:0]，32bits數(shù)據(jù)信號(hào)。

　　ADS#，總線(xiàn)操作的開(kāi)始標(biāo)志。

　　Blast#，突發(fā)傳輸?shù)慕Y(jié)束標(biāo)志。

　　LW/R#，寫(xiě)/讀信號(hào)。

　　Wait#，主設(shè)備暫停傳輸信號(hào)，信號(hào)無(wú)效標(biāo)志主設(shè)備正常。

　　Ready#，從設(shè)備操作完成信號(hào)，信號(hào)有效標(biāo)志從設(shè)備正常。

　　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#，中斷信號(hào)輸入，用于引起CompactPCI總線(xiàn)端的中斷。

　　LRST#，局部總線(xiàn)端重置。

　　信號(hào)經(jīng)簡(jiǎn)化后，在正常的讀寫(xiě)操作中，只需要處理ADS#、Blast#、LW/R#、Wait#、Ready#與數(shù)據(jù)的邏輯關(guān)系，Single cycle可認(rèn)為是Continuous burst的特例，從而將兩種模式下的邏輯時(shí)序統(tǒng)一處理。正常操作中，ADS#、Blast#、Wait#、Ready#需滿(mǎn)足的邏輯關(guān)系如圖2所示：

　　圖2中，ADS#、Blast#、Wait#信號(hào)由PCI 9656驅(qū)動(dòng)，LW/R#（圖2中未標(biāo)出）也由PCI 9656驅(qū)動(dòng)，在整個(gè)過(guò)程中處于低或高，標(biāo)志PCI 9656對(duì)總線(xiàn)的讀或?qū)懖僮?。Ready#由CPLD驅(qū)動(dòng)，Data為雙向信號(hào)。CPLD空閑狀態(tài)時(shí)監(jiān)測(cè)ADS#信號(hào)，一旦ADS#有效，則根據(jù)LW/R#轉(zhuǎn)入讀或?qū)懖僮?。讀操作中，CPLD將FIFO數(shù)據(jù)讀出，同時(shí)將Ready#置為有效狀態(tài)，需監(jiān)測(cè)Wait#，Wait#無(wú)效時(shí)，才可繼續(xù)讀取下一數(shù)據(jù)；寫(xiě)操作中，CPLD需將Ready#置為有效狀態(tài)，監(jiān)測(cè)Wait#，Wait#無(wú)效時(shí)，CPLD才可完成總線(xiàn)上數(shù)據(jù)的寫(xiě)入；當(dāng)CPLD檢測(cè)到Blast#、Wait# 、Ready#均為有效狀態(tài)時(shí)，便完成最后一個(gè)數(shù)據(jù)的傳輸操作，轉(zhuǎn)至空閑狀態(tài)。

　　實(shí)現(xiàn)上述的數(shù)據(jù)傳輸邏輯，再加上適當(dāng)?shù)漠惓Ｇ闆r和測(cè)試轉(zhuǎn)換控制，便可設(shè)計(jì)CPLD的邏輯控制模塊。

　　2.2 MAXII EPM1270應(yīng)用

　　MAXII系列是Altera公司的新型架構(gòu)CPLD，與傳統(tǒng)架構(gòu)的CPLD相比，MAXII的功耗和成本大幅降低，資源密度和性能卻顯著提升，非常適用于接口間的控制協(xié)議轉(zhuǎn)換。設(shè)計(jì)中采用了MAXII的EPM1270型號(hào)CPLD，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖3所示。MAXII EPM1270內(nèi)部主要分為邏輯控制、測(cè)試、FIFO三個(gè)模塊：

　　1 FIFO采用Altera提供的IP核實(shí)現(xiàn)，容量可根據(jù)資源利用情況調(diào)節(jié)，使用FWFT（First Word Follow Through）模式，為CPLD提供與外部FIFO簡(jiǎn)便的接口。

　　2 測(cè)試模塊產(chǎn)生測(cè)試數(shù)據(jù)，控制數(shù)據(jù)通道在真實(shí)數(shù)據(jù)源與測(cè)試數(shù)據(jù)源間切換，在測(cè)試接收卡時(shí)使用。

　　3 邏輯控制模塊內(nèi)有異常和測(cè)試控制、狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制兩部分，通過(guò)一個(gè)8bit寄存器進(jìn)行通信。（1）寄存器控制CPLD的測(cè)試模塊、狀態(tài)選擇，同時(shí)記錄FIFO的狀態(tài)變化。（2）異常和測(cè)試控制部分依據(jù)狀態(tài)寄存器內(nèi)容控制測(cè)試模塊，監(jiān)測(cè)FIFO的溢出、半滿(mǎn)、空等狀態(tài)，產(chǎn)生Lint#信號(hào)或通過(guò)控制寄存器傳遞到狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制部分，使之有效EOT#，中斷數(shù)據(jù)傳輸。（3）狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制部分執(zhí)行局部總線(xiàn)的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)邏輯，建立了四個(gè)狀態(tài)：S0，空閑狀態(tài)；S1，數(shù)據(jù)讀狀態(tài)；S2，寄存器讀狀態(tài)；S3，命令寫(xiě)狀態(tài)。S0狀態(tài)下根據(jù)LW/R#信號(hào)和寄存器內(nèi)容確定向S1、S2、S3狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。S1狀態(tài)下讀取FIFO數(shù)據(jù)，根據(jù)FIFO狀態(tài)產(chǎn)生異常中止信號(hào)EOT#。S2狀態(tài)下 讀取8bit寄存器內(nèi)容。S3狀態(tài)下向8bit寄存器寫(xiě)入命令碼來(lái)改寫(xiě)和重置其相關(guān)比特位，從而控制CPLD的測(cè)試模塊，切換S1、S2狀態(tài)，清空FIFO。

　　通過(guò)上述設(shè)計(jì)模塊，MAXII CPLD便可在PCI 9656與IDT 72T36135M之間建立一個(gè)簡(jiǎn)捷的數(shù)據(jù)傳輸通道。

　　3 結(jié)束語(yǔ)

　　PCI 9656采用了PLX公司業(yè)界領(lǐng)先的數(shù)據(jù)通道架構(gòu)技術(shù)，其豐富的功能為高速的PCI（CompactPCI）總線(xiàn)應(yīng)用提供了簡(jiǎn)捷的I/O設(shè)計(jì)途徑。文章介紹了采用PCI 9656作為PCI I/O設(shè)計(jì)的一款應(yīng)用于66Mhz、64bit CompactPCI總線(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收卡。本文作者創(chuàng)新點(diǎn)： 1 將PCI 9656應(yīng)用于66Mhz、64bit CompactPCI總線(xiàn)系統(tǒng)，滿(mǎn)足高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆? 采用CPLD內(nèi)建FIFO的IP核實(shí)現(xiàn)FIFO與PCI 9656的接口連接，優(yōu)化了CPLD的轉(zhuǎn)換邏輯。

　　參考文獻(xiàn)：

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　　[4]沈羽,齊偉民,張毅,實(shí)時(shí)高速數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)系統(tǒng)的一種實(shí)現(xiàn)方法,微計(jì)算機(jī)信息,2006,1-1:83-85。