1991 年P(guān)CISIG(外圍部件互連專業(yè)組)成立,，提出了PCI的概念^[1]。Altera公司提供的軟件包：PCI Compiler可以參數(shù)化地生成用于PCI接口的IP核——Megacore,。該IP核包含了PCI控制電路的所有功能,，完成總線協(xié)議的轉(zhuǎn)換，并將復(fù)雜的,、電氣和時序要求高的PCI轉(zhuǎn)換為易于操作的本地接口邏輯,。用戶可以基于其生成的IP核模塊，設(shè)計自己的外部設(shè)備接口邏輯,。Altera的MegaCore包括四種類型：PCI_MT64,、PCI_MT32、PCI_T64和PCI_T32^[1],。它們都具有靈活的通用接口,，遵循PCI協(xié)議2.2版，嚴(yán)格的工業(yè)級驗證和多款優(yōu)化FPGA,?？紤]通常的PC主板都支持32位PCI，而且DMA控制器必須工作在主模式下,，因此選擇了PCI_MT32,，其模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　·參數(shù)化的配置寄存器：保存PCI設(shè)備的基本信息,，可以通過軟件參數(shù)設(shè)定寄存器,。
　　·地址數(shù)據(jù)緩存：緩存PCI總線上的地址數(shù)據(jù),。
　　·主模式接口控制模塊" title="控制模塊">控制模塊：在主模式下對PCI總線的操作。
　　·從模式接口控制模塊：在從模式下對PCI總線的操作,。
　　·奇偶校驗器：當(dāng)校驗出錯時，生成一個報錯信號輸出到配置寄存器,。
　　·本地主模式控制模塊：主模式下,，控制本地邏輯的接口。
　　·本地從模式控制模塊：從模式下,，控制本地邏輯的接口,。
　　·本地邏輯接口模塊：控制本地端接口的地址、數(shù)據(jù),、控制,、字節(jié)使能等。
1 DMA控制器
　　針對高帶寬,、低延時和大數(shù)據(jù)量的多媒體數(shù)據(jù),，設(shè)計了基于PCI core的DMA數(shù)字衛(wèi)星電視接收卡。DVB協(xié)議中的基本數(shù)據(jù)單元為192字節(jié),，因此把一次DMA傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包定為192字節(jié),。
1.1 DMA控制器的結(jié)構(gòu)
　　DMA控制器由DMA寄存器、描述符" title="描述符">描述符FIFO,、DMA狀態(tài)機,、數(shù)據(jù)通道" title="數(shù)據(jù)通道">數(shù)據(jù)通道RAM四個模塊構(gòu)成，如圖2所示,。

　　DMA寄存器是主機控制DMA的窗口,，包括控制狀態(tài)寄存器" title="狀態(tài)寄存器">狀態(tài)寄存器、地址寄存器,、字節(jié)寄存器,、中斷狀態(tài)寄存器和中斷屏蔽寄存器^[2]。描述符FIFO是一個32×256的FIFO,，在鏈?zhǔn)紻MA模式下可以暫存128組DMA的描述符,。DMA狀態(tài)機是控制PCI總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵模髂Ｊ较碌腄MA有主模式寫和主模式讀兩種類型,。主模式寫是把數(shù)據(jù)通道RAM里的數(shù)據(jù)包通過PCI總線傳送到從設(shè)備,，主模式讀則讀取從設(shè)備的數(shù)據(jù)包傳送到數(shù)據(jù)通道RAM中^[4]。
1.2 DMA寄存器
　　DMA寄存器的地址直接映射到PCI的地址空間,，其基地址由PCI Core中的配置寄存器Bar0決定,。主機通過訪問這些寄存器來控制DMA操作。
　　·控制狀態(tài)寄存器：主機通過寄存器配置DMA狀態(tài)機,，同時也可以獲得當(dāng)前數(shù)據(jù)傳輸?shù)臓顟B(tài),。
　　·地址寄存器：保存PCI總線地址,，即DMA傳輸?shù)哪繕?biāo)地址。當(dāng)?shù)刂芳拇嫫魍瓿蓪懖僮?，DMA狀態(tài)機將被啟動,。
　　·字節(jié)寄存器：其初始值為一次DMA傳輸數(shù)據(jù)的大小，PCI每傳送一個數(shù)據(jù),，字節(jié)寄存器的值就減1,，減到0則DMA停止傳輸。
　　·中斷狀態(tài)寄存器：為主機提供PCI設(shè)備的中斷狀態(tài),。
　　·中斷屏蔽寄存器：可以屏蔽PCI設(shè)備的中斷請求,。
1.3 DMA狀態(tài)機
　　DMA的狀態(tài)機如圖3所示。

　　·空閑狀態(tài)：狀態(tài)機無數(shù)據(jù)傳輸時默認(rèn)停留在這一狀態(tài),。通過寫DMA寄存器,，可啟動一次DMA傳輸。
　　·裝載寄存器狀態(tài)：當(dāng)鏈?zhǔn)絺鬏敃r,，進入裝載寄存器狀態(tài),。將描述符 FIFO中的一組描述符裝入字節(jié)寄存器和地址寄存器后，進入寄存器有效狀態(tài),。
　　·寄存器有效狀態(tài)：DMA傳輸前,，如果外部FIFO中的數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好，則進入等待請求狀態(tài),。
　　·等待請求狀態(tài)：等待一個數(shù)據(jù)包從外部FIFO送入數(shù)據(jù)通道RAM,，進入請求狀態(tài)。
　　·請求狀態(tài)：申請PCI總線的控制權(quán),，進入等待允許狀態(tài),。
　　·等待允許狀態(tài)：當(dāng)PCI設(shè)備獲得了總線的控制權(quán)，進入準(zhǔn)備狀態(tài),。
　　·準(zhǔn)備狀態(tài)：當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束或者PCI總線終止傳輸,，則進入結(jié)束狀態(tài)；當(dāng)PCI總線插入等待周期,，則返回等待請求狀態(tài),，重新申請總線的控制權(quán)；當(dāng)PCI總線的地址期結(jié)束將要進入數(shù)據(jù)期,，則進入傳輸狀態(tài),。
　　·傳輸狀態(tài)：當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束或者PCI總線終止傳輸，則進入結(jié)束狀態(tài),；當(dāng)PCI總線插入等待周期,，則返回等待請求狀態(tài)，重新申請總線的控制權(quán)；當(dāng)本次數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束,，但是本次鏈?zhǔn)紻MA沒有結(jié)束,，則進入裝載寄存器狀態(tài)。
　　·結(jié)束狀態(tài)：一次DMA結(jié)束,，或者一次鏈?zhǔn)紻MA結(jié)束,，狀態(tài)機進入結(jié)束狀態(tài)，同時發(fā)出中斷信號,。
　　·錯誤狀態(tài)：當(dāng)PCI abort,、 PCI system error、 PCI parity error,、FIFO full等錯誤出現(xiàn)時，狀態(tài)機進入錯誤狀態(tài),，同時發(fā)出中斷信號,。
1.4 DMA操作流程
　　以非鏈?zhǔn)紻MA的主模式寫為例，主機首先寫控制狀態(tài)寄存器,、中斷屏蔽寄存器,、字節(jié)寄存器、地址寄存器,，而后狀態(tài)機啟動,；當(dāng)外部FIFO數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，數(shù)據(jù)先傳到數(shù)據(jù)通道RAM,，再以DMA方式寫到目標(biāo)地址,；判斷DMA是否完成或出錯，寫中斷狀態(tài)寄存器,，發(fā)出中斷信號,；主機收到中斷后，讀中斷狀態(tài)寄存器確定中斷類型,，如果發(fā)現(xiàn)DMA完成,，則處理數(shù)據(jù)，如果發(fā)現(xiàn)DMA出錯,，則丟棄數(shù)據(jù),。
　　鏈?zhǔn)紻MA可以認(rèn)為是一組DMA的串連，其流程如圖4所示,。其中每一次DMA的數(shù)據(jù)包大小和目標(biāo)地址可以不同,，直到這一組DMA結(jié)束，發(fā)出一個中斷信號,。以主模式寫為例,，主機首先把多組字節(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描述符,；主機再寫中斷屏蔽寄存器和控制狀態(tài)寄存器即啟動了DMA狀態(tài)機,，開始鏈?zhǔn)降臄?shù)據(jù)傳輸,。

　　與非鏈?zhǔn)紻MA相比，鏈?zhǔn)紻MA有更多的優(yōu)點,，以一次寫入128個描述符的鏈?zhǔn)紻MA為例：
　　·節(jié)省軟件的開銷,。非鏈?zhǔn)紻MA每啟動一次傳輸，只能傳一個數(shù)據(jù)包,，而鏈?zhǔn)紻MA一次寫入128組描述符,，就可以傳128個數(shù)據(jù)包。非鏈?zhǔn)紻MA一個數(shù)據(jù)包傳輸結(jié)束主機就響應(yīng)一次中斷,，而鏈?zhǔn)紻MA每128個數(shù)據(jù)包傳輸結(jié)束主機響應(yīng)一次中斷,。鏈?zhǔn)紻MA啟動和響應(yīng)頻率降為原來的1/128，從而提高了傳輸速度,。
　　·節(jié)省硬件資源,。如果希望用非鏈?zhǔn)紻MA可靠地傳輸一個大數(shù)據(jù)包，需要RAM的容量至少等于這個數(shù)據(jù)包的大小,。例如非鏈?zhǔn)紻MA一次傳128×192字節(jié)的數(shù)據(jù),，則需要192K位的存儲容量。而鏈?zhǔn)紻MA可以把此數(shù)據(jù)包分成128次傳輸,，僅使用1.5K位的存儲容量,，節(jié)省RAM資源。
　　·靈活的地址管理,。鏈?zhǔn)紻MA可以對每個數(shù)據(jù)包任意分配目標(biāo)地址,，那么一次操作可以讀寫一個從設(shè)備的多個地址空間，甚至多個從設(shè)備的多個地址空間,。
2 設(shè)計結(jié)果
　　用VHDL編寫邏輯代碼,，用ModelSim仿真，圖5是部分仿真波形：PCI的關(guān)鍵信號,、DMA狀態(tài)機,、DMA寄存器。這是鏈?zhǔn)紻MA啟動寫操作時的信號變化,，數(shù)據(jù)包的大小是192字節(jié),，目標(biāo)基地址是0x40000104。

　　使用Altera公司的QuartusII對設(shè)計綜合,，選用器件Cyclone EP1C6Q240C8,，綜合結(jié)果如表1所示。

　　最高時鐘頻率可以達到86.57MHz,。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。用邏輯分析儀測試PCI的關(guān)鍵信號,，非鏈?zhǔn)紻MA和鏈?zhǔn)紻MA傳輸128個數(shù)據(jù)包的統(tǒng)計信息如表2所示,。