現(xiàn)代雷達信號處理具有數據量大,、實時性高等特點,，而總線傳輸的效率決定了系統(tǒng)的性能，目前普遍使用標準化的PCI總線技術,，以便升級更新,。為加快產品開發(fā)和降低設計難度，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，受時序設計和應用程序效率等影響,，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到了150 MB·s-1甚至更高。
本文利用高效PCI芯片和FPGA設計了一款64位總線傳輸接口電路,，傳輸速度達到212 MB·s-1,，較以往總線傳輸速度有了較大地提高，滿足了目前高速數據傳輸系統(tǒng)的要求,。
1 PCI總線接口架構
本系統(tǒng)主要由PCI9656和FPGA構成,，系統(tǒng)框圖如圖1所示。當主機發(fā)起讀寫操作時PCI9656需要響應其操作，并將相應命令發(fā)送到FPGA進行處理,，F(xiàn)PGA進行處理后將數據和命令通過PCI9656回傳給主機,。PCI9656與主機之間的通信需要相應的設備驅動程序支持，而FPGA響應主機命令則需要配置相應的局部時序,。因此,，本設計主要的工作為設備驅動程序的開發(fā)和FPGA局部時序的設計。
圖1 總體傳輸系統(tǒng)框圖
2 PCI9656性能概述
PCI9656是PLX公司推出的一款兼容32位和64位PCI總線標準的橋接芯片,，采用PLX數據流水線結構（Data Pipe Architecture）,，內部配有DMA控制器、可編程主模式傳輸及從模式傳輸,；內部有PCI優(yōu)先判決器,，可以支持外部7個外部主控器；可由本地中斷信號LINTi和LINTo生成一個PCI中斷信號INTA,；本地時鐘獨立于PCI時鐘工作,；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條獨立的數據通道,，分別支持Direct Master、Direct Slave以及DMA功能模式下的數據傳輸,。
?。?）Direct Master模式。用于局部總線到PCI（CompactPCI）的數據傳輸,，主控設備在局部總線端,。16 QWord（128 Byte）和32 QWords（256Byte）的FIFO各應用于數據的讀、寫通道,。
?。?）Direct Slave模式。用于PCI（CompactPCI）到局部總線的數據傳輸,，主控設備在PCI端,。16QWords（128 Byte）和32 QWords（256 Byte）的FIFO各應用于數據的讀、寫通道,。
（3）DMA模式,。DMA傳輸時PCI9656同時是PCI和局部總線的主控設備,，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,。適合大多數處理器的通用模式，比如常用的FPGA,，在本設計中采用此模式,。
（3）J模式,。與C模式類似,，但其地址線與數據線復用。
3 總線設備驅動開發(fā)
在Windows環(huán)境下開發(fā)PCI設備驅動程序主要有兩種模型,，即WinDriver和WDM,。本設計使用了WDM驅動模型。開發(fā)PCI設備驅動程序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處理器有兩種獨立的映射空間：I／O空間和內存空間，I／O空間只能通過I／O指令來訪問,，KIoRange類封裝了對I／O空間的操作命令,。對于設計的PCI設備，可以通過實例化KIoRange類來對I／O空間進行相應的操作,。
對于PCI設備可以使用KMemoryRange類對內存進行相應操作,，具體操作與KIoRange類對I／O空間的操作相似。
3.2 中斷處理
驅動程序使用KInterrupt類來實現(xiàn)對中斷操作的處理,，其中包括中斷的初始化,、將一個中斷服務例程連接到一個中斷和解除其連接等。
中斷服務例程不是KInterrupt類的成員函數,，這是為了減少中斷延遲時間,。中斷處理需要中斷服務例程和延遲過程調用例程，在中斷服務例程中,，首先判斷該中斷是否是自己設備產生的,，若不是，則返回False；若是,，則請求一個延遲過程調用例程（DPC）,。
3.3 DMA傳輸
PCI9656使用DMA方式進行數據傳輸。實現(xiàn)DMA傳輸需要3個類：KDmaAdapter,，KDmaTransfer和KCommonDmaBuffer,。其中，KDmaAdapter類用于建立一個DMA適配器,，它說明了DMA通道的特性,，如總線寬度，單次傳輸最大個數等,，需要注意的是本設備使用的是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)數等；KCommonDmaBuffer類用于申請系統(tǒng)提供的公共緩沖區(qū),。具體DMA傳輸設置如下
?。?）實例化三個類
OnDmaReady例程中獲取傳輸的物理內存的地址和字節(jié)數，然后設置相應的DMA寄存器值開始DMA傳輸,。DMA傳輸結束后,，應使m_CmxentTm-nsfer無效并刪除。具體流程如圖2所示,。
圖2 DMA傳輸流程
4 局部總線端設計
本設計中,，局部總線端采用了C模式。C模式下可配置3種數據傳輸方式：單周期方式（Single Cycle Mode）,、4字方式（Brust-4 Mode）和連續(xù)突發(fā)傳輸方式（Continuous Mode）,，在本設計中采用了連續(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備,，始終占用局部總線，局部總線端的FPGA始終響應PCI9656的操作,。方案中使用PCI9656的DMA傳輸模式,，在本地端不需要進行地址譯碼，因此可以對PCI9656的控制信號進行簡化處理,，PCI9656的局部端主要控制信號如下
ADS#：一次總線訪問開始,；
Blast#：總線訪問結束；
LW／R#：讀寫控制信號,；
Ready#：從設備準備好信號,，有效時表示總線訪問進行中,；
LHOLD：PCI9656占用本地總線申請信號,；
LHOLDA：占用本地總線應答信號,；
Wait#：主設備傳輸暫停信號；
EOT#：數據傳輸異常中止信號,，用于FIFO溢出或空時中斷數據傳輸,；
Lint#：用于引起CompaetPCI總線端的中斷信號；
LRST#：本地總線復位信號,；
CCS#：配置寄存器選擇信號,。
在DMA傳輸過程中主要關心的信號可簡化為：ADS#、Blast#,、LW／R#,、Ready#、LHOLD,、LHOLDA,，如圖3所示。
圖3 PCI局部總線控制時序
圖3中,，lclk為本地總線時鐘,，當PCI9656要發(fā)起一次DMA操作時，先發(fā)送lhold信號申請本地總線,，若本地總線空閑則FPGA發(fā)出lholda信號響應PCI9656,，然后PCI有效ads_n信號以示總線傳輸開始，F(xiàn)PGA使ready_n有效以示總線傳輸正在進行中,，此時本地數據通過局部數據線傳送到PCI總線,，或著數據由PCI總線傳送到局部邏輯。一次傳輸結束時PCI使blast_n信號有效并使lhold信號無效,，然后FPGA使lholda信號和ready_n信號無效,，一次DMA傳輸完成。傳輸中若是DMA讀操作則lwr信號拉低,，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總線平均速率達到212 MB·s-1，可以滿足目前高速數據采集,、傳輸對總線傳輸速度的要求,。
PCI9656本地總線時序設計中需要注意blast_n信號有效說明為突發(fā)傳輸最后一個時鐘周期，此時ready_n信號仍然為有效,，否則會造成總線等待,；在正常讀寫訪問中CCS#信號應置高,，否則總線訪問將指向配置空間而非內存或I／O空間。
5 結束語
利用PCI9656和FPGA實現(xiàn)了一種高速PCI總線接口,，較全面地論述了總線驅動開發(fā)和局部時序設計的過程,。這種設計提高了總線傳輸速度，為高速數據采集系統(tǒng)的實現(xiàn)創(chuàng)造了條件,。