近年來,，隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，通信,、網(wǎng)絡(luò),、雷達(dá)、遙測遙感等諸多領(lǐng)域都面臨著數(shù)據(jù)量日趨龐大的問題,，這對數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)也提出了更高的要求,。尤其在雷達(dá)領(lǐng)域，雷達(dá)新體制新技術(shù)的提出與應(yīng)用,，如數(shù)字波束形成技術(shù)、高速A/D轉(zhuǎn)換器件的應(yīng)用等等,，使得雷達(dá)系統(tǒng)所需處理的信號通道數(shù)越來越多,，數(shù)據(jù)率也越來越大,，龐大數(shù)據(jù)量的實(shí)時(shí)傳輸逐漸成為制約雷達(dá)系統(tǒng)性能的瓶頸之一。當(dāng)前,，高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)已經(jīng)成為了人們研究的熱點(diǎn)問題,。

        CPCI(Compact PCI)總線是國際工業(yè)計(jì)算機(jī)制造者聯(lián)合會(huì)PICMG(PCI Industrial Computer Manufacturer’s Group)提出的一種高性能工業(yè)總線接口標(biāo)準(zhǔn)^[1]。與傳統(tǒng)的工業(yè)計(jì)算機(jī)總線相比,，CPCI總線具備以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：(1)傳輸速率高,。從總線速度上看，32 bit/33 MHz的CPCI總線最大傳輸速度為132 MB/s,；對于64 bit/66 MHz CPCI總線則峰值速度可達(dá)528 MB/s,。(2)與PCI總線標(biāo)準(zhǔn)完全兼容，有利于用戶將基于PCI總線開發(fā)的成熟技術(shù)與產(chǎn)品向工業(yè)設(shè)備上推廣,。(3)采用歐插機(jī)械結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn),，具備良好的耐用性、散熱性,、抗震性和易維護(hù)性等性能,，適合工控、軍事,、電信等惡劣工作環(huán)境的使用,。此外其還具有高擴(kuò)展、支持熱插拔等性能,。CPCI總線的種種特性使得該技術(shù)在雷達(dá),、通信、控制等領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用^[2-4],。

        本文以CPCI總線接口設(shè)計(jì)作為研究對象,，針對某雷達(dá)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸與控制的需求，完成了雷達(dá)接收機(jī)數(shù)據(jù)傳輸接口的設(shè)計(jì)與開發(fā),，為雷達(dá)系統(tǒng)各板卡間的正常通信提供了保障,。

1 系統(tǒng)需求

        該雷達(dá)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，系統(tǒng)涵蓋主控板卡,，數(shù)據(jù)采集板卡,、同步控制板卡和頻率合成板卡等多種不同類型的外圍板卡。其中主控板卡負(fù)責(zé)收集多塊數(shù)據(jù)采集板卡的數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)信號處理,，以及完成對所有外圍板卡的參數(shù)配置與控制,。主控板與外圍板卡的通信通過數(shù)據(jù)總線來完成。經(jīng)過分析,，得知多塊數(shù)據(jù)采集板卡向主控板上傳數(shù)據(jù)的最大傳輸速率和不超過10 MB/s,，而主控板下發(fā)控制參數(shù)信息至外圍板卡的傳輸速率則要求更低。因此CPCI總線的傳輸速率足以勝任系統(tǒng)需求。

        該雷達(dá)系統(tǒng)的主控板卡為外購產(chǎn)品,，因此設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于外圍板卡端的數(shù)據(jù)總線接口設(shè)計(jì)以及主控板卡端的驅(qū)動(dòng)開發(fā),。此外對于雷達(dá)外圍板卡端而言，雖然可分為多塊不同類型的板卡,，功能不同,，但其CPCI總線接口電路的設(shè)計(jì)應(yīng)基本一致，保證版本的統(tǒng)一性,，方便調(diào)試與維護(hù),。

2 硬件設(shè)計(jì)

        目前常見的CPCI總線接口實(shí)現(xiàn)方案有多種：(1)FPGA IPcore方案，可用各大FPGA公司提供的PCI總線接口IP核來完成,。該方案結(jié)構(gòu)簡單,，無需關(guān)心PCI總線協(xié)議，但需要購買使用許可,，費(fèi)用較高,。(2)在FPGA內(nèi)自己實(shí)現(xiàn)PCI協(xié)議及相應(yīng)邏輯功能[5],該方案電路設(shè)計(jì)簡單，費(fèi)用較低,，但開發(fā)難度較高,，研發(fā)周期過長。(3)PCI橋芯片+FPGA架構(gòu)方案^[2-3,6],，該方案電路結(jié)構(gòu)較前兩者相對復(fù)雜一些,，但因使用了橋芯片，無需太多關(guān)心PCI總線協(xié)議,，研發(fā)周期快,，且費(fèi)用較低。綜合以上因素,，選取了第三種方案搭建硬件接口電路,，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

        其中PCI橋芯片完成CPCI總線與本地端總線的協(xié)議轉(zhuǎn)換,在這里選擇了PLX Technology公司32 bit寬/33 MHz低成本PCI橋芯片PCI9054,。FPGA主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的緩沖與轉(zhuǎn)發(fā),并對PCI9054進(jìn)行相應(yīng)的控制操作,。當(dāng)外圍板卡即本地端用戶功能設(shè)備上傳數(shù)據(jù)時(shí)，F(xiàn)PGA通過內(nèi)部開設(shè)的緩沖區(qū),，將用戶端的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包發(fā)送給PCI9054,，由PCI芯片轉(zhuǎn)換成CPCI總線協(xié)議數(shù)據(jù)上傳至主控板卡端。當(dāng)主控端發(fā)送控制指令時(shí),，F(xiàn)PGA同樣在獲得PCI芯片的本地總線數(shù)據(jù)后,，發(fā)送至本地端用戶功能設(shè)備中。此外EEPOM與FPGA配置芯片分別完成上電時(shí)對PCI芯片以及FPGA的參數(shù)配置與初始化,。

        PCI9054負(fù)責(zé)完成主控板與外圍板端FPGA之間的通信,，其主要控制步驟如下：

        (1)主控板向外圍板發(fā)出讀寫請求時(shí),PCI9054向FPGA發(fā)出申請本地總線信號LHOLD(高有效),。

        (2) FPGA檢測到LHOLD有效后，若本地總線空閑,，即對PCI9054回應(yīng)總線應(yīng)答信號LHOLDA(高有效),，表示申請本地總線有效。

        (3)PCI9054檢測到申請總線有效后,給出地址有效信號ADS(低有效),，同時(shí)給出讀寫的地址。

        (4)FPGA檢測到ADS后,，根據(jù)PCI9054的讀寫控制信號LW/R(高為讀,，低為寫)，進(jìn)行讀寫數(shù)據(jù)操作,；并同時(shí)向PCI9054發(fā)送數(shù)據(jù)有效信號READY(低有效),。此時(shí)PCI橋芯片根據(jù)讀寫要求，將數(shù)據(jù)發(fā)送至FPGA或上傳至主控板,。

        (5)當(dāng)傳輸最后一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí),，PCI9054 將BLAST指示信號置低(低有效)。FPGA隨即在下一個(gè)時(shí)鐘將READY信號拉高表示傳輸結(jié)束,。

        (6)當(dāng)PCI9054檢測到READY為高電平時(shí)放棄本地總線,，結(jié)束通信。

        在主控板卡與外圍板卡的數(shù)據(jù)傳輸過程中,，F(xiàn)PGA開設(shè)有雙口RAM作為數(shù)據(jù)緩沖區(qū),，本地端功能設(shè)備和PCI芯片均可對其進(jìn)行讀寫操作。設(shè)計(jì)采用乒乓操作工作模式,，避免兩者對同一地址同時(shí)讀寫的沖突,。此外在硬件電路設(shè)計(jì)中，針對該雷達(dá)不同類型的外圍板卡所需緩沖數(shù)據(jù)塊大小的需求不盡相同的情況,，通過選用同系列,、同封裝、不同資源的FPGA芯片,，統(tǒng)一考慮它們的電源,、地以及I/O管腳的分布情況，綜合設(shè)計(jì)電路版圖,，使得同一塊PCB板上可以根據(jù)不同需求焊接合適資源的FPGA芯片,。該設(shè)計(jì)既有效降低了成本，又便于以后的維護(hù)與升級,。

3 驅(qū)動(dòng)開發(fā)

3.1 WDM驅(qū)動(dòng)簡介

        雷達(dá)系統(tǒng)的主控板卡采用Windows XP 操作系統(tǒng),。在該操作系統(tǒng)平臺上，應(yīng)用程序直接訪問硬件設(shè)備是受限制的,，必須獲得可工作在Windows系統(tǒng)內(nèi)核下的驅(qū)動(dòng)程序的支持,。綜合考慮選用WDM驅(qū)動(dòng)框架模式，完成了CPCI總線數(shù)據(jù)接口的驅(qū)動(dòng)開發(fā)。WDM模型驅(qū)動(dòng)是微軟公司為Windows系統(tǒng)下的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)提供的一種靈活,、簡化的驅(qū)動(dòng)模型,，能有效降低所必需開發(fā)的驅(qū)動(dòng)程序的數(shù)量以及復(fù)雜性^[7]。

        在WDM驅(qū)動(dòng)下訪問硬件設(shè)備時(shí),，應(yīng)用程序通過調(diào)用Win32API函數(shù)產(chǎn)生控制命令,，操作系統(tǒng)的I/O管理器將獲取的控制命令轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的IRP(I/O處理請求包)送給驅(qū)動(dòng)程序的入口點(diǎn)。IRP是Windows內(nèi)核中一種非常重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),，它包含了應(yīng)用程序發(fā)出控制命令的信息,，不同的IRP會(huì)根據(jù)類型被分到驅(qū)動(dòng)的不同例程中進(jìn)行處理[8]。隨后驅(qū)動(dòng)程序通過硬件抽象層(HAL)調(diào)用來訪問硬件設(shè)備,。當(dāng)IRP結(jié)束時(shí),驅(qū)動(dòng)調(diào)用IoCompleteRequest函數(shù)通知I/O管理器,，并向I/O管理器返回相關(guān)參數(shù)及數(shù)據(jù)，應(yīng)用程序回讀數(shù)據(jù),，完成本次操作,。圖3為應(yīng)用程序通過調(diào)用WDM驅(qū)動(dòng)程序與底層硬件進(jìn)行通信的整個(gè)過程(灰色部分為論文需設(shè)計(jì)研發(fā)的工作)。

3.2 WDM驅(qū)動(dòng)功能實(shí)現(xiàn)

        論文利用Driver Studio工具,，調(diào)用其自帶的Driver wizard設(shè)置向?qū)蒞DM驅(qū)動(dòng)框架^[9],，并根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)的硬件設(shè)備情況添加相應(yīng)的代碼。驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的功能主要包括三個(gè)部分：硬件訪問,、中斷處理與DMA傳輸,。

3.2.1 硬件訪問

        硬件訪問是指對硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)基本的識別與訪問功能。WDM驅(qū)動(dòng)可以通過GUID接口方式或符號鏈接名方式來獲取有效的設(shè)備句柄,，從而識別,、打開或關(guān)閉設(shè)備。在前者方案中,，每塊板卡需要生成對應(yīng)不同GUID標(biāo)識符的驅(qū)動(dòng),，打開設(shè)備比較繁瑣；對于后者,，所有板卡通用一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序,，只根據(jù)板卡在不同的插槽位置對應(yīng)不同的符號鏈接名打開設(shè)備。相比較而言獲取設(shè)備句柄更為簡單,。論文采用符號鏈接名方式實(shí)現(xiàn)設(shè)備的識別,。

        對于硬件的訪問，在X86處理器中存在兩套獨(dú)立的地址空間：內(nèi)存地址和I/O地址,。PCI橋芯片將本地端內(nèi)存單元通過映射的方式定位到這兩種獨(dú)立的地址空間,。在驅(qū)動(dòng)程序中，可通過調(diào)用WDM驅(qū)動(dòng)框架提供的KIoRange類（對I/O映射空間的訪問）和KMemoryRange類（對內(nèi)存映射空間的訪問）來實(shí)現(xiàn)對映射的訪問,。

        本文通過調(diào)用KIoRange類對I/O映射空間訪問,，實(shí)現(xiàn)對硬件的操作,。打開設(shè)備后，應(yīng)用程序可通過Win32的API函數(shù)DeviceIoControl向驅(qū)動(dòng)發(fā)起相應(yīng)的控制命令和參數(shù),。驅(qū)動(dòng)獲取命令及參數(shù)后通過KIoRange類的成員函數(shù)FORM.outd（ULONG ByteOffset,，ULONG Data）對寄存器進(jìn)行操作。例如配置PCI9054的中斷寄存器：

        m_IoPortRange0.outd(INTCSR, mm_Data),；

INTCSR為定義的中斷寄存器,，mm_Data為獲得的需要修改的中斷寄存器參數(shù)。

3.2.2 中斷處理

        系統(tǒng)主要存在兩類中斷需要處理：(1)數(shù)據(jù)采集板卡請求數(shù)據(jù)上傳時(shí)所生成的本地中斷,；(2)PCI9054完成了DMA傳輸后產(chǎn)生的DMA中斷,。WDM框架驅(qū)動(dòng)將中斷的處理封裝成類KInterrupt。進(jìn)入中斷服務(wù)例程前,，通過調(diào)用KInterrupt的成員函數(shù)InitializeAndConnect初始化中斷變量和調(diào)用宏LinkTo鏈接到中斷例程(Isr_Irq)中。代碼如下：

        status = m_Irq.InitializeAndConnect(

              pResListTranslated, 

              LinkTo(Isr_Irq), 

              this);

        進(jìn)入中斷服務(wù)例程后,，通過PCI9054的中斷寄存器進(jìn)行中斷類型判斷：若為本地中斷,，則關(guān)閉本地中斷清除中斷標(biāo)志位,產(chǎn)生通知事件給應(yīng)用程序，通知主控板卡需進(jìn)行數(shù)據(jù)的DMA傳輸,；如為DMA中斷,，則表明DMA傳輸完成，需禁止該中斷并清除中斷標(biāo)志位,，隨后啟動(dòng)延遲過程調(diào)用例程(DPC)進(jìn)行處理,。其過程將在下節(jié)進(jìn)一步說明。中斷處理的流程圖如圖4所示,。

        該雷達(dá)系統(tǒng)存在多塊外圍板卡同時(shí)掛在CPCI總線上的情況,，它們共享一個(gè)中斷向量。面對多外圍板卡的中斷處理時(shí),，驅(qū)動(dòng)程序通過查詢各個(gè)設(shè)備的中斷寄存器狀態(tài),，判斷來自哪個(gè)設(shè)備的中斷，并以事件形式通知應(yīng)用程序,，迅速對中斷事件進(jìn)行處理,。

3.2.3 DMA傳輸

        雷達(dá)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集板卡上傳采集數(shù)據(jù)或主控板卡下發(fā)控制參數(shù)均可由DMA傳輸方式完成的，它們的工作原理基本相同,。以上傳為例,，數(shù)據(jù)采集板卡在本地端FPGA內(nèi)緩沖一定量的數(shù)據(jù)后，向主控板卡申請中斷,。主控板接收到該中斷后發(fā)起總線操作,，控制外圍板卡進(jìn)行DMA傳輸，DMA傳輸流程圖如圖5所示,。

        進(jìn)入DMA傳輸流程時(shí),，驅(qū)動(dòng)程序通過控制DMA傳輸?shù)腒DmaTransfer類的成員函數(shù)Initiate()完成DMA的初始化工作,。隨后系統(tǒng)進(jìn)入回調(diào)例程，若有數(shù)據(jù)需要傳輸,，則配置PCI9054的DMA寄存器,，并開始DMA傳輸。當(dāng)傳輸完成后,，PCI9054產(chǎn)生DMA中斷,，在驅(qū)動(dòng)程序的中斷服務(wù)例程中，啟動(dòng)DPC進(jìn)入DpcFor_Irq例程,，在DpcFor_Irq內(nèi)通過調(diào)用KdmaTransfer類的成員函數(shù)Continue()進(jìn)入DMA的回調(diào)例程,，再次檢測是否有待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。若所有數(shù)據(jù)傳輸完畢則完成DMA操作,，結(jié)束IRP,；否則進(jìn)入下一輪DMA，一直到數(shù)據(jù)傳輸完畢為止,。

        本文對安裝有WDM框架驅(qū)動(dòng)的板卡進(jìn)行了測試,。圖6為外圍板卡端FPGA抓取DMA傳輸?shù)谋镜乜偩€時(shí)序圖，表明主控板卡與外圍板卡的DMA傳輸工作正常,。實(shí)驗(yàn)測試實(shí)際DMA傳輸速率約為35 MB/s,，完全能夠滿足該雷達(dá)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

        本文針對某雷達(dá)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸與控制的要求，提出了一種基于CPCI總線的雷達(dá)接收機(jī)數(shù)據(jù)傳輸接口實(shí)現(xiàn)方案,。在外圍板卡端,，完成了基于FPGA+PCI橋芯片架構(gòu)的CPCI總線接口電路設(shè)計(jì)；在主控板卡端,，進(jìn)行了基于WDM框架的驅(qū)動(dòng)程序開發(fā),實(shí)現(xiàn)了主控板對多塊外圍板的硬件訪問,、中斷處理和DMA傳輸?shù)榷喾N功能。論文的測試結(jié)果表明主控板卡能夠有效完成與外圍板卡間的數(shù)據(jù)傳輸與控制,，性能指標(biāo)符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求,。

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