引言

隨著CompactPCI在中國(guó)大范圍的普及和使用，越來(lái)越多的企業(yè)開始研制基于CompactPCI接口的產(chǎn)品,，市場(chǎng)上有一些專用PCI接口芯片,。FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)技術(shù)的快速發(fā)展使得萬(wàn)門以上乃至幾十萬(wàn)門邏輯陣列的使用越來(lái)越普遍,。與專用PCI接口芯片相似，很多FPGA制造商都提供了PCI接口核邏輯,。設(shè)計(jì)者可以將PCI用戶邏輯與PCI Core集成在一片F(xiàn)PGA里,，并且可以在頂層通過(guò)仿真來(lái)驗(yàn)證PCI接口以及用戶邏輯設(shè)計(jì)的正確與否，這樣可以大幅度提高調(diào)試速度,、縮短開發(fā)周期,、提高電路板的集成度和系統(tǒng)的性能。目前,，開發(fā)者最常用的兩種PCI IP核是ALTERA公司的PCI MEGACORE和XILINX公司的PCI Logicore,。本文所介紹的PCI_MT64 IP核是ALTERA公司開發(fā)的一個(gè)功能強(qiáng)大的CPCI接口內(nèi)核，最高能實(shí)現(xiàn)64位的數(shù)據(jù)寬度和66MHz的工作頻率,。文章介紹了PCI_MT64的工作原理以及此IP核在CPCI總線數(shù)據(jù)采集卡的應(yīng)用設(shè)計(jì),，并通過(guò)本地邏輯設(shè)計(jì)測(cè)試了此IP核的功能,。

PCI_MT64 IP核的原理和結(jié)構(gòu)

根據(jù)用戶性質(zhì)的不同,，CPCI接口類型分為兩種：MASTER(主設(shè)備) 和TARGET（從設(shè)備）。ALTERA公司據(jù)此開發(fā)了多種 PCI IP核：PCI_MT64、PCI_MT32,、PCI_T64和PCI_T32,。由于設(shè)計(jì)需要完成66MHz、64位寬度數(shù)據(jù)傳輸,，且在主模式下DMA控制器才能工作,，因此選擇了PCI_MT64。

PCI_MT64是支持33/66MHz工作頻率,、64位PCI總線,、支持主/從模式的PCI IP功能模塊。當(dāng)其寬度為64位,、系統(tǒng)時(shí)鐘為66 MHz時(shí),，峰值傳輸速率為528 MB/s。其主要由8個(gè)模塊組成,，如圖1所示,。

圖1 PCI_MT64的模塊結(jié)構(gòu)

參數(shù)配置寄存器：提供參數(shù)確定的寄存器，包括設(shè)備識(shí)別,、供應(yīng)商識(shí)別,、分類代碼、修訂版本,、基址寄存器和子系統(tǒng)供應(yīng)商等信息,。在設(shè)計(jì)中，ALTERA公司提供了參數(shù)化的圖形界面,，用戶只需按PCI協(xié)議輸入或選擇合理的值即可完成該寄存器的配置,。

PCI側(cè)地址/數(shù)據(jù)緩沖模塊：用來(lái)緩存PCI總線側(cè)的地址數(shù)據(jù)輸入、輸出信號(hào),。

PCI側(cè)主/從模式控制模塊：用于控制PCI總線的主設(shè)備和從設(shè)備的各種時(shí)序操作,。

Local側(cè)主/從模式控制模塊：用于控制PCI_MT64與本地邏輯的各種操作。

Local側(cè)地址/數(shù)據(jù)/命令/字節(jié)使能模塊：接收和輸出用戶側(cè)的所有地址,、數(shù)據(jù),、命令、字節(jié)使能等信號(hào),。

奇偶校驗(yàn)模塊：用于對(duì)數(shù)據(jù),、地址、命令進(jìn)行奇偶校驗(yàn),。

PCI_MT64 IP核在CPCI數(shù)據(jù)采集卡中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

PCI_MT64 IP核在CPCI數(shù)據(jù)采集卡中的功能：與CPCI總線之間的通信和數(shù)據(jù)傳輸,，并做奇偶校驗(yàn)以保證正確性，即將復(fù)雜的CPCI總線信號(hào)轉(zhuǎn)換為相對(duì)簡(jiǎn)單易操作的CPCI本地總線信號(hào),，它從CPCI總線側(cè)獲得傳輸命令和讀寫數(shù)據(jù)的地址后,，一方面對(duì)這個(gè)操作命令做出反應(yīng),，將其傳達(dá)給本地邏輯，另一方面將CPCI總線傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)地址映射為本地邏輯可識(shí)別的地址,。當(dāng)本地端總線準(zhǔn)備好后,，PCI IP核會(huì)收到本地邏輯做出的響應(yīng)信號(hào)，然后根據(jù)主從模式,，讀/寫命令的不同執(zhí)行相應(yīng)的時(shí)序,。簡(jiǎn)單的說(shuō)，它是CPCI總線和本地邏輯的橋梁,，所以首先要設(shè)計(jì)CPCI本地側(cè)邏輯實(shí)現(xiàn)PCI IP核功能驗(yàn)證,，如圖2所示。


圖2 CPCI本地端邏輯設(shè)計(jì)

以上設(shè)計(jì)能快速評(píng)估PCI IP核的功能,，當(dāng)PCI_MT64作為一個(gè)主設(shè)備,，主模式控制邏輯連接DMA控制器來(lái)完成一次PCI主模式讀寫傳輸。當(dāng)PCI_MT64作為一個(gè)從設(shè)備,，它觸發(fā)從模式控制邏輯來(lái)執(zhí)行一次從模式傳輸,。CPCI數(shù)據(jù)采集卡使用DMA方式上傳數(shù)據(jù)，即將數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)處理后,，緩存到FIFO,，從FIFO中傳輸數(shù)據(jù)到上位機(jī)；使用從模式寫傳輸發(fā)送控制命令到板卡不同寄存器,。當(dāng)進(jìn)行一次從模式傳輸時(shí),，PCI IP核不能啟動(dòng)總線操作，只能依賴于主設(shè)備從其中讀取數(shù)據(jù)或向其傳送數(shù)據(jù),，相關(guān)設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單,，而DMA模式是PCI_MT64配合自主設(shè)計(jì)的DMA控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以DMA控制器是整個(gè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,。

DMA控制器由DMA寄存器和DMA狀態(tài)機(jī)兩個(gè)模塊構(gòu)成,。DMA寄存器是主機(jī)控制DMA的窗口，包括控制狀態(tài)寄存器,、地址寄存器,、字節(jié)寄存器、中斷狀態(tài)寄存器和本地地址寄存器,。DMA寄存器的地址直接映射到PCI的地址空間,，其基地址對(duì)應(yīng)PCI IP核中的配置寄存器Bar0。主機(jī)通過(guò)設(shè)置在存儲(chǔ)器地址空間的DMA寄存器來(lái)控制DMA傳輸,。DMA狀態(tài)機(jī)是控制主模式寫傳輸?shù)暮诵?，產(chǎn)生主模式傳輸需求的各種信號(hào)。狀態(tài)跳轉(zhuǎn)條件來(lái)自DMA寄存器,，IP核以及DMA FIFO,。狀態(tài)機(jī)流程圖如圖3所示,。

圖3 DMA狀態(tài)機(jī)

以鏈?zhǔn)?/a>DMA傳輸為例介紹其流程：主機(jī)首先把多組字節(jié)寄存器和地址寄存器的值寫入描述符FIFO，每一組字節(jié)寄存器和地址寄存器就是一個(gè)描述符,；主機(jī)再寫本地地址寄存器和控制狀態(tài)寄存器即啟動(dòng)了DMA狀態(tài)機(jī),，開始鏈?zhǔn)降臄?shù)據(jù)傳輸,。狀態(tài)機(jī)跳入裝載DMA狀態(tài),，通過(guò)對(duì)DMA FIFO的讀取將需要的值寫入寄存器中，經(jīng)寄存器有效狀態(tài)進(jìn)入等待請(qǐng)求狀態(tài),。當(dāng)外部FIFO數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好,，DMA狀態(tài)機(jī)向主機(jī)發(fā)送總線請(qǐng)求信號(hào)，并等待主機(jī)的總線允許信號(hào),，此時(shí)狀態(tài)機(jī)進(jìn)入等待允許狀態(tài),；一旦接收到主機(jī)的總線允許信號(hào)，整個(gè)DMA傳輸開始,，狀態(tài)機(jī)也進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài),。在數(shù)據(jù)傳輸周期中，字節(jié)寄存器的值逐漸減少直到零時(shí),，一個(gè)描述符傳輸完成,，每一個(gè)描述符傳輸完成的時(shí)候，狀態(tài)機(jī)并不進(jìn)入結(jié)束狀態(tài),，而是直接進(jìn)入空閑狀態(tài),，開始下一次描述符的傳輸，所以不產(chǎn)生中斷,。等到DMA FIFO為空的時(shí)候,，狀態(tài)機(jī)認(rèn)為本次鏈?zhǔn)紻MA傳輸完成，進(jìn)入到結(jié)束狀態(tài),，此時(shí)產(chǎn)生中斷,，一次鏈?zhǔn)紻MA傳輸結(jié)束。

實(shí)驗(yàn)調(diào)試及分析

PCI_MT64 IP核在CPCI數(shù)據(jù)采集卡中的應(yīng)用主要是完成數(shù)據(jù)的高速傳輸,，包括從模式寫傳輸方式的數(shù)據(jù)下傳（控制命令）和DMA方式的數(shù)據(jù)上傳（采集卡數(shù)據(jù)）,。在QuartusII9.0環(huán)境下，運(yùn)用Megacore PCI Complier對(duì)PCI_MT64進(jìn)行設(shè)置,，并對(duì)CPCI本地端邏輯進(jìn)行了綜合編譯,，生成網(wǎng)表文件，運(yùn)用Testbench工具對(duì)從模式寫傳輸方式進(jìn)行仿真,，驗(yàn)證了PCI_MT64 IP核的穩(wěn)定性,。其時(shí)序仿真如圖4所示。

圖4 從模式單周期寫仿真時(shí)序

圖4中是一個(gè)對(duì)地址為8000H的MEM域空間的單周期寫操作,，在第3個(gè)時(shí)鐘周期,，F(xiàn)RAME#低電平有效,，此時(shí)pci_ad的值是8000H，pci_cben的值是0111B,，表示存儲(chǔ)器寫,，在TRDY#和IRDY#同時(shí)有效的時(shí)候，數(shù)據(jù)由pci_ad傳給l_dato,，這里寫入的數(shù)據(jù)是66666666H,。由仿真圖可以看到，pci_ad和l_dato的數(shù)據(jù)是一樣的,，所以從模式單周期寫傳輸正確,。單周期讀寫適合少量數(shù)據(jù)傳輸，不同寄存器控制命令的發(fā)送及DMA寄存器的設(shè)置都是通過(guò)從模式下單周期讀寫實(shí)現(xiàn)的,。

為測(cè)試PCI_MT64 IP核的本地端邏輯設(shè)計(jì),，調(diào)用基于Windriver編寫的驅(qū)動(dòng)程序和用戶界面實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。這樣,，既驗(yàn)證了CPCI數(shù)據(jù)采集卡硬件邏輯的正確性,，又驗(yàn)證了軟件的正確性。其測(cè)試結(jié)果如圖5所示,。


圖5 應(yīng)用軟件測(cè)試界面

圖5中數(shù)據(jù)采樣率為500MHz,，輸入信號(hào)頻率為16MHz，一個(gè)周期的采樣點(diǎn)數(shù)N=500/16=31.25,，故250個(gè)點(diǎn)內(nèi)應(yīng)有250/31.25=8個(gè)周期的數(shù)據(jù),。采樣數(shù)據(jù)的幅值以十六進(jìn)制格式在列表框中顯示。波形顯示了有限數(shù)據(jù)的連續(xù)傳輸,，沒(méi)有任何數(shù)據(jù)丟失,，驗(yàn)證了基于PCI_MT64 IP核在數(shù)據(jù)采集卡中采用DMA方式傳輸數(shù)據(jù)的完整性及傳輸速度。

結(jié)束語(yǔ)

PCI_MT64 IP核能有效的滿足CPCI數(shù)據(jù)采集卡對(duì)數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)囊?，?shí)現(xiàn)CPCI接口功能,，并能與用戶邏輯配合工作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的緩存和傳輸,。相較于使用PCI專用芯片實(shí)現(xiàn)接口功能的方法,，本設(shè)計(jì)具有電路板集成性能高、功耗低,、成本低,、方便移植等優(yōu)點(diǎn)。