??? 摘? 要：介紹一種Linux下的基于64位PCI總線和多片F(xiàn)PGA的高速計算平臺的設(shè)計和實現(xiàn),，利用Altera公司的PCI軟核——PCI_mt64構(gòu)建此平臺的PCI橋接口模塊,，設(shè)計出一種兼容總線寬度64位/32位,、時鐘66MHz的PCI規(guī)范的接口模塊,，以及與此相配合的DMA狀態(tài)機(jī),，并給出Linux驅(qū)動的關(guān)鍵部分,。?

????關(guān)鍵詞： PCI_mt64; 現(xiàn)場可編程門陣列; DMA; Linux驅(qū)動

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??? PCI（Peripheral Component Interconnection）總線接口是目前一種應(yīng)用廣泛,、可兼容支持32/64位的局部總線接口,，它同時支持多組外圍設(shè)備，不受制于處理器,，數(shù)據(jù)吞吐量大（32位時峰值高達(dá)132MB/s,，64位時峰值高達(dá)528MB/s）^[1]。連接到PCI總線上的設(shè)備分為主設(shè)備和從設(shè)備,，接口設(shè)計成為PCI總線與設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄?。但是，PCI總線協(xié)議十分復(fù)雜,，不容易實現(xiàn),。目前實現(xiàn)PCI接口的有效方案有兩種：使用專用總線接口器件和專用PCI軟核IP-core。?

??? 目前,，業(yè)界基于32位PCI總線使用較多的接口芯片是AMCC公司的S59xx系列和PLX公司的PLX系列,。而對于64位的PCI總線，目前PLX公司的9656芯片雖然可以支持,，但在設(shè)備本地端,，9656芯片只能提供32位的接口，并不是完全的64位PCI接口芯片,，數(shù)據(jù)的處理速度因此而受到限制,。?

??? 另一方面，Linux操作系統(tǒng)是一種基于GNU通用公共許可證（GPL）架構(gòu)下,、源碼公開的免費操作系統(tǒng),，繼承了Unix穩(wěn)定有效的特點，采用先進(jìn)的內(nèi)存管理機(jī)制,，能有效地利用物理內(nèi)存,；與Windows相比，Linux在安全性,、漏洞修補(bǔ)上都具有其獨特的優(yōu)勢,，因此,，目前Linux在工業(yè)、政府部門都有著廣泛的應(yīng)用,。?

??? 本文介紹一種在Linux操作系統(tǒng)下的,、64位66MHz高速PCI的FPGA通用并行計算平臺的設(shè)計與實現(xiàn)。該平臺采用Altera公司提供的IP軟核PCI_mt64^[2-3],，自行設(shè)計本地端64位橋接口,；同時，采用多片F(xiàn)PGA運行不同的算法,，并在FPGA內(nèi)部實現(xiàn)算法的并行化,，從而大大提高了PC機(jī)對大運算量的數(shù)字信號處理的能力。系統(tǒng)已成功應(yīng)用到MD5 的快速解密,。?

1 系統(tǒng)設(shè)計的目的?

??? 目前信號處理對于實時性要求的提高,，雖然也使CPU的運算頻率日益提高，可以大大提高某些大運算量應(yīng)用計算的速度,，但是獨占CPU資源并不是一個很好的選擇,；同時由于成本及其他因素的考慮，也不可能專門使用多臺小型機(jī)進(jìn)行計算,。在這種情況下,，將信號處理算法并行化，運行于高性能的FPGA,，并通過適當(dāng)?shù)目偩€接口,，可以達(dá)到既不占用CPU資源，同時又有多臺小型機(jī)同時運算的性能,。?

??? 本硬件平臺的設(shè)計目的是將64位66MHz的PCI接口與FPGA結(jié)合起來,，使得該硬件平臺既可以保證數(shù)據(jù)量的高速吞吐和數(shù)據(jù)處理的實時性要求，又可以在運算處理過程中不占用CPU資源,。另外,，由于采用多片高性能FPGA，因此也可以選擇在該平臺上同時運行多個算法,，如陣列信號處理中的DOA算法,、波束形成算法等。?

??? 以下對端口的定義及說明均是基于實現(xiàn)該算法,，而整個系統(tǒng)平臺適用于多種大計算量的數(shù)字信號處理,。?

2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)?

??? 本系統(tǒng)利用1片Altera 公司的EP1S20F780C7芯片作為橋芯片，負(fù)責(zé)加載本地橋模塊,、配置算法FPGA、DMA操作,、數(shù)據(jù)輪詢下發(fā)以及運算結(jié)果上行接收和中斷,；采用4片Altera公司的 EP2S60F484C5作為數(shù)據(jù)處理芯片,，可以加載不同的信號處理算法，從而實現(xiàn)平臺的通用化,。?

??? 在該系統(tǒng)架構(gòu)中,，PCI橋模塊的設(shè)計實現(xiàn)、DMA狀態(tài)機(jī)的操作流程和中斷的處理是其中的重點和難點,，下面分別予以說明,。?

2.1 PCI橋模塊的設(shè)計?

??? 在本系統(tǒng)中，為了縮短開發(fā)周期,，采用了Altera公司的IP軟核PCI_mt64,，這樣系統(tǒng)的設(shè)計就規(guī)避了PCI局部總線規(guī)范和PCI配置寄存器的實現(xiàn)，而能夠集中精力進(jìn)行本地橋模塊的設(shè)計,。本地橋模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示,，其基本設(shè)計思想如下：?

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??? (1)橋模塊要實現(xiàn)對I/O空間與Memory空間的管理、各種控制信號（包括中斷）的產(chǎn)生和數(shù)據(jù)流的處理,。其中,，I/O空間定義一般寄存器和中斷寄存器；Memory空間則包括了DMA寄存器和FIFO初始地址寄存器,其又包括以下子模塊：Interrupt模塊,、FIFO管理模塊和DMA引擎（FIFO,、Memory空間實現(xiàn)方式）。其中FIFO管理模塊又可根據(jù)功能劃分為三個部分：橋FIFO（Bridge FIFO）,、結(jié)果數(shù)據(jù)FIFO（Result FIFO）和FPGA配置FIFO（FPGA Configure FIFO）,。?

??? 中斷模塊發(fā)出DMA傳輸?shù)南嚓P(guān)控制中斷，如完成中斷,、算法運算結(jié)果的相關(guān)中斷,。在本系統(tǒng)中，算法結(jié)果中斷分為三種,，分別對應(yīng)于運算有結(jié)果,、運算中斷查詢和運算無結(jié)果，這三種類型中斷由算法FPGA通過串行接口通知橋模塊,。由于串行命令的可編碼,，因此中斷種類可以根據(jù)不同的算法、不同的場合而更改,。?

??? 在橋模塊中,，最重要的部分是主從控制模塊的實現(xiàn)，其功能是執(zhí)行與PCI-core的交互,、響應(yīng)PCI中的控制信號,，并發(fā)出相應(yīng)的、符合PCI時序的主從控制信號。?

??? (2)主從控制模塊中,，Local Target部分只負(fù)責(zé)對32位寄存器的讀寫,，功能較為簡單，不需要啟動DMA操作,，在Linux驅(qū)動中可以在IOCTL中通過writeX( )和readX( )兩個函數(shù)對存儲空間進(jìn)行讀寫,，也可以通過inX( )和outX( )兩個函數(shù)對I/O空間讀寫寄存器。其中X表示數(shù)據(jù)類型：l表示long word,，w表示short word,，b表示byte^[4]。?

??? (3) Local Master要進(jìn)行大數(shù)據(jù)量讀寫,，需要兼容32/64位,，同時與DMA模塊配合完成DMA數(shù)據(jù)傳輸，因此功能較為復(fù)雜,。具體說明如下：?

??? 數(shù)據(jù)上行：上行數(shù)據(jù)（解密結(jié)果）由算法FPGA通過串行通信發(fā)送至橋模塊,，并經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換存入Result FIFO，同時通知中斷產(chǎn)生模塊產(chǎn)生中斷,。PC機(jī)接收到中斷后即準(zhǔn)備讀取數(shù)據(jù)：PC機(jī)端設(shè)置DMA寄存器(ACR,、BCR、CSR),，然后本地端根據(jù)DMA寄存器CSR的設(shè)置啟動DMA操作,，完成Master寫的流程。?

??? 數(shù)據(jù)下行：由于下行數(shù)據(jù)（窮舉破解使用的密鑰）數(shù)據(jù)量大,，而本地端的存儲空間有限,，因此系統(tǒng)采用由PC機(jī)端設(shè)置DMA寄存器(一般設(shè)置為16KB)，而本地端根據(jù)寄存器和存儲空間狀況,，實現(xiàn)下列操作：啟動DMA,、申請PCI總線、第一次PCI數(shù)據(jù)傳輸,、傳輸完畢后判斷數(shù)據(jù)是否全部被傳輸,，如未全部完成則再次申請PCI傳輸直到所有數(shù)據(jù)傳輸完成，此時申請DMA完成中斷,。這個過程即是Master讀的流程,。?

??? 在上下行的數(shù)據(jù)通路中，DMA的啟動首先是由PC機(jī)端寫入DMA控制寄存器（字節(jié)計數(shù)寄存器BCR,，地址計數(shù)寄存器ACR）開始,，再寫入控制狀態(tài)寄存器CSR中的啟動位。主從控制模塊檢測到啟動位置高后,，即開始DMA主模式狀態(tài)機(jī)的實現(xiàn),。?

2.2 主模式下狀態(tài)機(jī)的實現(xiàn)?

??? 主動傳輸時DMA狀態(tài)機(jī)的實現(xiàn)如圖2所示,，其各狀態(tài)說明(DMA狀態(tài)機(jī)的編號與圖2相對應(yīng),如表1所示。其中重要的狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件說明如下：?

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??? (1) WR_BUSY轉(zhuǎn)DONE：PC請求的數(shù)據(jù)全部傳輸完成,，或上行FIFO空,，或DMA從設(shè)備要求斷開。?

??? (2) RETRY轉(zhuǎn)DONE：當(dāng)申請再一次的PCI數(shù)據(jù)傳輸時,，檢查下一次需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量是否滿足PCI傳輸?shù)囊螅鐥l件不滿足,，轉(zhuǎn)入DONE,。?

??? (3) RD_BUSY轉(zhuǎn)DONE：PCI數(shù)據(jù)傳輸尚未結(jié)束，下行FIFO已滿,，或本次PCI傳輸結(jié)束,，并且DMA_BCR要求的數(shù)據(jù)已全部傳輸結(jié)束，或DMA從設(shè)備要求斷開?

??? (4) RD_BUSY轉(zhuǎn)RETRY：當(dāng)本次PCI進(jìn)入傳輸期,、PCI總線要求重新申請時,，或者當(dāng)前PCI的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束，而未傳完DMA_BCR要求的數(shù)據(jù)量,。?

??? (5) IDLE轉(zhuǎn)LOAD：DMA_CSR寄存器啟動位置位,，DMA_BCR符合DMA傳輸要求，本地端下行FIFO可寫或上?

行FIFO內(nèi)有數(shù)據(jù),。?

2.3 DMA方式?

??? Altera公司的PCI_mt64對進(jìn)行內(nèi)存讀寫的單次PCI傳輸數(shù)據(jù)量的限制：如果用總線Memory Read命令,，則每次僅可以傳輸16個字節(jié)的數(shù)據(jù)；如果總線用Memory Read Multiple命令,，則每次最多可以傳輸4 096B的數(shù)據(jù),。由于本系統(tǒng)的目的在于運行MD5快速解密算法，PC經(jīng)PCI下發(fā)到設(shè)備的數(shù)據(jù)量是巨大的(GB量級),，若由PC機(jī)端來進(jìn)行多次寫DMA寄存器然后啟動DMA,，則其軟件耗時不可忍受；而當(dāng)該平臺應(yīng)用于實時數(shù)據(jù)處理時,，軟件耗時必須盡可能減小,。因此，需要設(shè)計一種新的DMA傳輸方式：即由PC機(jī)端寫一次DMA寄存器,，而由本地端進(jìn)行多次DMA申請,。?

??? 圖3給出了當(dāng)PC機(jī)申請16KB數(shù)據(jù)傳輸時，一次PCI傳輸即4 096字節(jié)傳輸完,、等待7個時鐘周期后（狀態(tài)Retry,，mst_state = 6），再次申請總線并開始PCI傳輸?shù)倪^程,。?

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??? 鏈?zhǔn)?/a>DMA可以認(rèn)為是一組DMA的進(jìn)行,，并且每次DMA的數(shù)據(jù)包大小和地址可以不同^[5]。同樣這里采用的DMA也可以認(rèn)為是一組DMA的進(jìn)行，與鏈?zhǔn)紻MA的區(qū)別在于DMA的讀寫地址必須是連續(xù)的,，而相同點在于與每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包的大小也是可以調(diào)節(jié)的,。在DMA數(shù)據(jù)地址是連續(xù)的情況下，與鏈?zhǔn)紻MA要寫入多次DMA描述符相比,，本系統(tǒng)采用的DMA方式只需要寫一次DMA描述符,，因此可以更有效率地完成DMA操作，其操作流程參如圖4所示,。同時由于本系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)中已存在的LOAD狀態(tài),，若該狀態(tài)用于從DMA描述符FIFO中讀取描述符，則本文的DMA狀態(tài)機(jī)也可以用來實現(xiàn)鏈?zhǔn)紻MA,。?

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2.4 Linux中斷處理?

??? Linux對于中斷的處理與Windows是不同的,，比較靈活，下面作簡單介紹,。?

??? Windows中斷處理,，首先在中斷響應(yīng)函數(shù)中對PCI中斷做判斷，如果是本設(shè)備的中斷則做簡單操作（非數(shù)據(jù)處理）,，然后調(diào)用DPC（延時過程調(diào)用）例程,，在中斷處理函數(shù)中做中斷處理中未完成的操作，如將數(shù)據(jù)由內(nèi)核緩沖區(qū)拷貝到用戶緩沖區(qū),。

??? 對比Windows,，Linux的中斷設(shè)計采用頂半部和底半部兩部分實現(xiàn)：頂半部相當(dāng)于中斷響應(yīng)函數(shù)；底半部相當(dāng)于Windows中的延時過程調(diào)用,；Linux的底半部可以使用多種方式實現(xiàn),，使用tasklet或者workqueue即可以實現(xiàn)操作。?

??? 普通的Linux中斷函數(shù)為void Demo_interrupt(int irq, void * dev_id, struct pt_regs * regs),如需要實現(xiàn)底半部(bottom half)時,，首先使用頂半部中斷處理函數(shù)：?

??? Irqreturn_t Demo_bh_interrupt (int irq, void * dev_id,struct pt_regs * regs) {?

??? /* …… */?

??? Tasklet_schedule(&Demo_tasklet),；?//調(diào)用Demo_do_tasklet?

??? /* …… */?

??? Return IRQ_HANDLED；??? }?

??? 底半部函數(shù)：void Demo_do_tasklet (unsigned long),。?

??? 在使用tasklet之前,，首先需使用DECLARE_TASKLET(Demo_tasklet, Demo_do_tasklet, data)申明tasklet，但也可以使用struct work_queue Demo_wq申明work queue（工作隊列）,；申明之后需要將后半部處理函數(shù)Demo_do_tasklet ( )放入工作隊列中,，可以使用下面的函數(shù)：INIT_WORK(&Demo_wq, Demo_do_tasklet, NULL)。工作隊列的后半部函數(shù)與tasklet相同,。?

3 設(shè)計結(jié)果與實測性能分析?

??? 使用VHDL編寫代碼,，利用邏輯分析儀對運行在實際硬件上的PCI橋代碼進(jìn)行分析，圖5為邏輯分析儀上所截得時序圖,、PCI關(guān)鍵信號(包括被動模式和主動模式的),。?

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??? 使用Altera的Quartus II 7.1對程序進(jìn)行設(shè)計綜合,，PCI接口最低時鐘頻率為80MHz。綜合生成網(wǎng)表文件,，下載到FPGA,，經(jīng)過實際測試，系統(tǒng)運行正常,，其橋模塊占用4 913邏輯單元和557 056位的存儲單元,。用安捷倫1 681AD型邏輯分析儀分析測試PCI關(guān)鍵信號，其結(jié)果：系統(tǒng)每傳輸16KB數(shù)據(jù)的總時間為164.487μs,，數(shù)據(jù)傳輸時間為130.975μs,，系統(tǒng)開銷為33.512μs，效率為79.5%,。而與普通非鏈?zhǔn)紻MA傳輸16KB數(shù)據(jù)的總時間比較，以32位66MHz頻率的PCI系統(tǒng)為測試平臺,可以得到如表2所示的結(jié)果,。?

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??? 從表2可以看出,本文所設(shè)計的DMA方法之所以效率會比傳統(tǒng)的非鏈?zhǔn)紻MA的方法要高,，在于軟件響應(yīng)的時間大大縮短，當(dāng)要傳送的數(shù)據(jù)量越大時,，DMA的平均數(shù)據(jù)率就會越高,。?

??? 本文設(shè)計的系統(tǒng)平臺已經(jīng)成功地應(yīng)用于MD5的解密。通過實際性能的測試,，基于IP-core的64位接口設(shè)計完全達(dá)到了預(yù)期的性能目標(biāo),，并且該平臺可以滿足大運算量、實時性要求高的數(shù)字信號處理算法的要求,。下一階段的工作,，將在該平臺上實現(xiàn)陣列信號處理的算法，以達(dá)到高速實時處理,，減少資源耗費的目的,。?

參考文獻(xiàn)?

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[2]?Altera Corporation． PCI megacore?function user guide. 2003.?

[3]?Altera Corporation. PCI-MT64 megacore function reference design. 2003.?

[4] CORBET J，RUBINI A,，HARTMAN?G K. Linux?device driver 3rd. O′Reilly, 2005.?

[5]?張浩,，徐寧儀，周祖成.基于PCI Core的鏈?zhǔn)紻MA控制器設(shè)計. 計算機(jī)應(yīng)用, 2005,(3).