0 引言

    隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展,，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的速度與數(shù)據(jù)傳送質(zhì)量的要求也在不斷提高。由Intel在2001年提出的第三代I/O總線技術(shù)——PCI Express總線技術(shù),，采用高速差分串行的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,，具有高帶寬、高可靠性,、高拓展性等優(yōu)點(diǎn),，很好地彌補(bǔ)了PCI、PCI-X總線的不足^[1-3],。

    本文基于PCIe 2.0協(xié)議,，利用Altera Transceiver PHY IP、Synopsys PCIe Core IP和AXI總線,，提出了一種DMA控制器,，并搭建了一個(gè)在FPGA端和PC之間的高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了寄存器讀寫操作（單字讀寫）和DMA讀寫操作,，并利用Synopsys VIP環(huán)境下進(jìn)行的系統(tǒng)仿真和上位機(jī)軟件進(jìn)行觀察并驗(yàn)證了數(shù)據(jù)讀寫的正確性,。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 基礎(chǔ)模塊

1.1.1 Altera Stratix V GX系列FPGA與PCIe PHY IP

    本設(shè)計(jì)使用Stratix V GX系列下的5SGXEA7K2F40C2N FPGA芯片^[4]，該芯片內(nèi)部集成了PCIe PHY IP硬核模塊,。PCIe PHY IP硬核包括三個(gè)部分,，如圖1，PHY IP Core for PCI Express（PIPE）集成了PCIe總線的物理層,。Transceiver Reconfiguration Controller IP Core可以動(dòng)態(tài)重新配置模擬參數(shù),。Transceiver PHY Reset Controller IP Core作為收發(fā)器的復(fù)位模塊，確保了PCIe鏈路的初始化^[5-6],。

1.1.2 Synopsys IP與VIP

    VIP顧名思義就是驗(yàn)證IP（Verification IP）,，它為一些標(biāo)準(zhǔn)的接口提供標(biāo)準(zhǔn)的總線行為模型^[7]。Synopsys公司提供了PCIe總線的Controller IP,，實(shí)現(xiàn)了PCIe總線數(shù)據(jù)鏈路層和事務(wù)層的功能,，并內(nèi)置了DMA，同時(shí)也提供了針對(duì)PCIe總線的VIP,，為PCIe總線提供了標(biāo)準(zhǔn)的總線行為模型,，模擬了上位機(jī)的功能^[8],。

1.1.3 AXI總線

    AXI（Advanced eXtensible Interface）總線是一種高性能、高帶寬,、低延遲的總線協(xié)議,，有一個(gè)顯著的特點(diǎn)，地址/控制和數(shù)據(jù)通道是分開的,，共有5個(gè)單向通道,，分別為read address channel，write address channel,，read data channel,，write data channel，write response channel^[9],，減少了延時(shí),，提高了DMA的效率。

1.2 總體方案設(shè)計(jì)

    本設(shè)計(jì)采用的整體架構(gòu)如圖2所示,，為Altera PHY IP+Synopsys PCIe Core IP+AXI總線+Application,。

    為了利用Synopsys 的PCIe VIP環(huán)境，采用了Synopsys PCIe Core IP,。在PCIe事務(wù)層和應(yīng)用側(cè)之間采用了AXI總線接口，可以在以后的設(shè)計(jì)中進(jìn)行方便的拓展和替換,。應(yīng)用側(cè)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了PCIe DMA控制器的功能,，并集成了兩塊RAM，一塊大小為128 DW,，用來存儲(chǔ)寄存器讀寫的數(shù)據(jù),；另一塊大小為512 DW，用來存儲(chǔ)DMA讀寫的數(shù)據(jù),。

2 DMA控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 應(yīng)用端DMA操作流程

    應(yīng)用端發(fā)起的DMA操作流程如圖3所示,，最終DMA讀操作實(shí)現(xiàn)的結(jié)果為將主機(jī)側(cè)的數(shù)據(jù)以DMA的方式寫入到應(yīng)用端的內(nèi)存中。DMA寫操作實(shí)現(xiàn)的結(jié)果為將應(yīng)用端的數(shù)據(jù)以DMA的方式寫入到主機(jī)側(cè)的內(nèi)存中,。圖3為應(yīng)用端發(fā)起的DMA操作具體的流程,。

    (1)主機(jī)側(cè)通過寄存器寫的方式，將DMA讀寫標(biāo)志,、DMA長度,、DMA源和目的內(nèi)存地址寫入到應(yīng)用端的寄存器中；

    (2)應(yīng)用端中的Slave模塊將這些命令發(fā)送給Master模塊,；

    (3)Master模塊按照Synopsys PCIe Core IP自定義的Dbi總線的方式,，再將這些命令傳送給PCIe Core IP內(nèi)部的寄存器；

    (4)PCIe Core IP接收DMA讀寫指令,，并持續(xù)操作Master接口以實(shí)現(xiàn)后續(xù)操作,；

    (5)當(dāng)為DMA讀時(shí),，PCIe Core IP的內(nèi)置DMA從主機(jī)側(cè)的“源內(nèi)存地址”中讀取到目標(biāo)數(shù)據(jù)；當(dāng)為DMA寫時(shí),，PCIe Core IP的Master接口通過AXI總線以讀的方式從“源內(nèi)存地址”讀取到目標(biāo)數(shù)據(jù),；

    (6)當(dāng)為DMA讀時(shí)，PCIe Core IP的Master獲得DMA讀取到的目標(biāo)數(shù)據(jù),，并通過AXI總線,，以寫的方式寫入到應(yīng)用端的“目的內(nèi)存地址”中；當(dāng)為DMA寫時(shí),，Master獲得目標(biāo)數(shù)據(jù)后,，內(nèi)置DMA將數(shù)據(jù)發(fā)送到主機(jī)側(cè)的“目的內(nèi)存地址”中；

    (7)當(dāng)DMA操作完成,，PCIe Core IP會(huì)通知應(yīng)用端的中斷模塊,；

    (8)應(yīng)用端的中斷模塊會(huì)向主機(jī)側(cè)提交中斷。

2.2 應(yīng)用端DMA控制狀態(tài)機(jī)

    應(yīng)用端只需將主機(jī)側(cè)寫入的DMA讀寫標(biāo)志,、DMA長度,、DMA源和目的內(nèi)存地址以及DMA啟動(dòng)信號(hào)寫入到PCIe Core IP中的內(nèi)部寄存器，并等待DMA操作的完成,，給出中斷信號(hào),。

    下面為應(yīng)用端詳細(xì)的DMA控制狀態(tài)機(jī)，如圖4所示,，狀態(tài)機(jī)把DMA讀操作和DMA寫操作整合到了一起,，減少了代碼量。

    (1)IDLEPHASE：空閑狀態(tài),。當(dāng)啟動(dòng)信號(hào)start_flag有效時(shí),，跳轉(zhuǎn)ENGINE_ENABLE狀態(tài)；

    (2)ENGINE_ENABLE：判斷DMA讀寫類型信號(hào)wr_rdn_flg,，當(dāng)wr_rdn_flg為0,，即為DMA讀(PC到FPGA)時(shí)，使能DMA讀引擎,；當(dāng)wr_rdn_flg為1,，即為DMA寫(FPGA到PC)時(shí)，使能DMA寫引擎,；

    (3)DMA_TRANS_SIZE：設(shè)置DMA數(shù)據(jù)傳輸長度,，最多一次傳輸512 DW，最少一次傳輸1 DW,；

    (4)DMA_SAR：設(shè)置DMA操作源地址(當(dāng)為DMA讀時(shí),，源地址為主機(jī)端地址；當(dāng)為DMA寫時(shí)，源地址為應(yīng)用端地址),；

    (5)DMA_DAR：設(shè)置DMA操作目的地址（當(dāng)為DMA讀時(shí),，目的地址為應(yīng)用端地址；當(dāng)為DMA寫時(shí),，目的地址為主機(jī)端地址）,；

    (6)DMA_DOORBELL：使能DMA操作門鈴信號(hào)dma_strt，啟動(dòng)DMA操作,；

    (7)DMA_WAIT_INT：等待DMA操作完成,；

    (8)DMA_INT_STATUS：讀取DMA操作中斷寄存器狀態(tài)，當(dāng)DMA操作完成信號(hào)dma_done有效時(shí),，產(chǎn)生完成中斷,，并跳轉(zhuǎn)DMA_CLEAR_INT狀態(tài)；

    (9)DMA_CLEAR_INT：清除中斷,，回到IDLEPHASE狀態(tài),，準(zhǔn)備下一次DMA傳輸。

3 DMA控制器功能驗(yàn)證

3.1 仿真驗(yàn)證

    在完成代碼編寫之后,，在VIP環(huán)境下搭建仿真平臺(tái),，使用Synopsys公司的仿真驗(yàn)證工具VCS進(jìn)行功能測試，主要測試驗(yàn)證模塊能否正確對(duì)寄存器讀寫和DMA讀寫產(chǎn)生正確的反應(yīng),。

    從圖5,、圖6中可以看到，寫地址偏移為0x40,，寫數(shù)據(jù)為32’h87654321,；讀地址偏移為0x40，讀數(shù)據(jù)為32’h87654321,，由此可判斷寄存器讀寫正確。

    如圖7所示,，由dma_strt和dma_done信號(hào)可以看出為2次DMA傳輸,，由dma_wr_rdn可看出第一次為DMA讀操作（RC端到APP側(cè)），第二次為DMA寫操作（APP側(cè)到RC端）由dma_bc_len可看出當(dāng)前DMA操作長度為2 000 Byte,，即500 DW,，slv_rdata和slv_wdata信號(hào)較為密集的部分分別為2次DMA操作的數(shù)據(jù)，對(duì)比這兩次數(shù)據(jù),，得知DMA操作正確,。

    為了更加方便地比較結(jié)果，采取自動(dòng)對(duì)比文件的方法,，即把寄存器或DMA寫的數(shù)據(jù)存放到一個(gè)文件中,，再把寄存器或DMA讀回的數(shù)據(jù)存放到另一個(gè)文件中，通過對(duì)比兩個(gè)文件,，判斷寄存器和DMA傳輸是正確的,。

3.2 FPGA測試驗(yàn)證

    在仿真驗(yàn)證完成之后,，進(jìn)行FPGA測試驗(yàn)證，將硬件部分燒錄到板卡的FPGA芯片后,，通過板卡的PCIe金手指插入到PC機(jī)的主板上,，PC機(jī)重啟后檢測到PCIe硬件的插入，即可安裝對(duì)應(yīng)的PCIe驅(qū)動(dòng)軟件,，利用上位機(jī)進(jìn)行測試,。

    上位機(jī)軟件界面如圖8所示，包括寄存器讀寫（Target操作）和DMA讀寫（Master操作）測試模塊,。

    選擇“Target”操作的“dual”模式,，寄存器長度設(shè)置為118，因?yàn)榍?0個(gè)寄存器與DMA操作相關(guān),，可能會(huì)觸發(fā)DMA操作,，所以在軟件中選擇跳過。點(diǎn)擊“啟動(dòng)測試”,，數(shù)據(jù)將會(huì)被先從主機(jī)側(cè)寫到FPGA,，再從FPGA讀回到主機(jī)側(cè)，比較兩次寄存器操作的數(shù)據(jù),，即可判斷寄存器操作的正確性,。

    如圖9所示，選擇“Master”操作的“dual”模式,，點(diǎn)擊“memory”,，即在PC側(cè)開辟一塊內(nèi)存存放數(shù)據(jù)，然后點(diǎn)擊“啟動(dòng)測試”,，數(shù)據(jù)先從PC寫到FPGA的RAM中,，接著再從FPGA回到PC，比較存放到PC內(nèi)存的數(shù)據(jù)和從FPGA寫回到PC的數(shù)據(jù),，即可判斷DMA讀寫操作的正確性,。

    根據(jù)DMA傳輸固定大小的數(shù)據(jù)的時(shí)間，可以計(jì)算出DMA讀寫速率,，經(jīng)過多次測試,，DMA讀寫速率分別為1 547 MB/s和1 607 MB/s。本設(shè)計(jì)采用的是PCIe Gen2,、×4通道,，理論最大傳輸速率為2 000 MB/s。分析代碼得出可能由于應(yīng)用端向PCIe Core IP寫入和讀取數(shù)據(jù)過程占用了一定的時(shí)間,，另外驅(qū)動(dòng)程序向DMA寄存器寫入或讀取參數(shù)也占用了一些時(shí)間,，都會(huì)影響速率。

4 結(jié)語

    本文實(shí)現(xiàn)的基于FPGA的PCIe總線接口的DMA控制器是在Altera PHY IP和Synopsys Core IP的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，利用Synopsys VIP驗(yàn)證環(huán)境進(jìn)行了功能仿真驗(yàn)證,，并通過FPGA進(jìn)行了系統(tǒng)實(shí)測,，達(dá)到了較高的傳輸速率，在Gen2,、×4模式下,，DMA讀寫操作的帶寬分別為 1 547 MB/s和1 607 MB/s，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo),。

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