基于SOPC的PCI總線(xiàn)高速數據傳輸系統設計

摘要：本文針對一體化偵察通信接收機高速數據傳輸的需求，提出了一種基于SOPC實(shí)現PCI總線(xiàn)高速傳輸系統的設計方案。該方案將PCI橋與用戶(hù)邏輯集成到一片FPGA上，并利用片上CPU實(shí)現了DMA控制器的自動(dòng)配置和總線(xiàn)異常處理，提高了系統數據速率。經(jīng)硬件平臺驗證，該設計能夠實(shí)現大于100M bytes／s的PCI總線(xiàn)傳輸速率。
關(guān)鍵字：PCI總線(xiàn)；現場(chǎng)可編程門(mén)陣列；片上系統；直接存儲器存儲

隨著(zhù)戰場(chǎng)電磁環(huán)境復雜程度越來(lái)越高，偵察與通信系統的融合成為一種必然的發(fā)展趨勢。數據量大、算法復雜是數字化偵察接收系統的主要特征。使用DSP和FPGA進(jìn)行高速信號譜分析、濾波等預處理，借助通用計算機平臺實(shí)現信號的分選、顯示等后處理是一種理想的系統設計方案。因此，如何構建與PC機間的高速數據通道，便成了偵察接收系統設計中的關(guān)鍵問(wèn)題之一。PCI (Peripheral Component Interconnect)總線(xiàn)，即外圍部件互連總線(xiàn)，是目前應用最廣泛的一種高速同步總線(xiàn)，在32位總線(xiàn)寬度33Mz時(shí)鐘下，其理論最大傳輸速率可達132Mbyte／s (64位總線(xiàn)寬度66MHz時(shí)可達到528Mbyte／s)，因此成為上述偵察接收系統中高傳輸速率、低成本PC接口的首選實(shí)現方式。目前，實(shí)現PCI總線(xiàn)接口的常用方法有兩種：一是采用專(zhuān)門(mén)的PCI橋芯片實(shí)現PCI接口，如PLX公司的PCI905X系列芯片等；二是使用可編程芯片實(shí)現PCI接口。
隨著(zhù)集成電路技術(shù)的發(fā)展，可編程芯片成本越來(lái)越低、資源越來(lái)越豐富，用戶(hù)可將PCI橋和其它用戶(hù)邏輯在一片可編程芯片上實(shí)現，其中后者不需要額外的PCI橋芯片，系統硬件電路得以簡(jiǎn)化，系統的穩定性和可靠性更高，進(jìn)而可以縮短系統開(kāi)發(fā)周期?；谝陨峡紤]，本文提出一種采用可編程片上系統(System-On-Programmable-Chip，SOPC)實(shí)現偵察接收機PCI總線(xiàn)高速數據傳輸系統的設計方案，并采用直接存儲器訪(fǎng)問(wèn)(Direct Memory Access，DMA)傳輸方式來(lái)提高數據傳輸速率。

1 PCI總線(xiàn)接口方案設計
在PCI總線(xiàn)接口標準中，根據數據傳輸的發(fā)起者所在位置，PCI接口有從模式和主模式兩種工作模式。根據工作方式的不同，DMA傳輸方式可分為連續式DMA (Continuous DMA)和集散式DMA(Scatter-Gather DMA)兩種。
1．1 PCI模式的選擇
PCI總線(xiàn)標準中，由PC發(fā)起數據傳輸、讀／寫(xiě)PCI接口卡的模式稱(chēng)為從模式。這種模式只要求PCI接口設備具備PCI從設備的功能，接口邏輯相對較簡(jiǎn)單；主模式是由PCI接口卡主動(dòng)讀寫(xiě)PC內存，PCI接口的邏輯相對復雜。頻繁地要求PC發(fā)起數據傳輸會(huì )占用PC的資源，為了減少PC的負擔，使其有更多的資源用于后續的數字信號處理，在偵察接收系統中，PCI接口卡的傳輸模式選擇主傳輸模式。
1．2 DMA傳輸方式的選擇
DMA是提高數據傳輸速率和微處理器使用效率的一種數據傳輸機制。連續式DMA用于實(shí)現連續數據塊的傳輸，即在一次DMA傳輸中設備端讀／寫(xiě)物理地址連續變化(讀存儲器空間)或不變化(讀IO口)，PC端的物理存儲地址連續變化。集散式DMA用于實(shí)現不連續數據塊的傳輸，各傳輸數據塊的起始讀／寫(xiě)地址和長(cháng)度都可以不同，它采用一個(gè)寄存器鏈表存儲每個(gè)數據塊的讀／寫(xiě)起始地址和長(cháng)度，DMA傳輸過(guò)程中自動(dòng)從該鏈表加載地址和長(cháng)度信息。集散模式DMA應用靈活，其缺點(diǎn)是在傳輸完一個(gè)數據塊之后要重新配置DMA控制寄存器的值，速度比連續模式稍慢。在偵察接收系統中，DMA傳輸模式選擇連續式傳輸模式。
1．3 PCI總線(xiàn)DMA傳輸方案設計
PCI接口總體結構框圖如圖1所示。數據輸入到乒乓RAM緩沖區，乒乓切換信號通知CPU數據準備好，CPU通過(guò)PCI橋的控制狀態(tài)寄存器判斷PC端是否備妥，如PC備妥則配置并啟動(dòng)DMA控制器，DMA控制器讀口從乒乓RAM中讀數據，寫(xiě)口將數據寫(xiě)至PCI總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)端，PCI總線(xiàn)接口單元申請并獲得PCI總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)權，將數據送上PCI總線(xiàn)。

2 PCI總線(xiàn)接口的SOPC實(shí)現
SOPC是Ahera公司提出的一種靈活、高效的片上系統解決方案，它將處理器、存儲器、I／O口以及一些通用的功能模塊集成在一個(gè)PLD器件上，構成一個(gè)可編程的片上系統。利用SOPC開(kāi)發(fā)偵察接收機中的PCI總線(xiàn)接口，具有開(kāi)發(fā)周期短、系統穩定性好的優(yōu)點(diǎn)。