基于SOPC的PCI總線高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：本文針對(duì)一體化偵察通信接收機(jī)高速數(shù)據(jù)傳輸的需求，提出了一種基于SOPC實(shí)現(xiàn)PCI總線高速傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該方案將PCI橋與用戶邏輯集成到一片F(xiàn)PGA上，并利用片上CPU實(shí)現(xiàn)了DMA控制器的自動(dòng)配置和總線異常處理，提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率。經(jīng)硬件平臺(tái)驗(yàn)證，該設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)大于100M bytes／s的PCI總線傳輸速率。
關(guān)鍵字：PCI總線；現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列；片上系統(tǒng)；直接存儲(chǔ)器存儲(chǔ)

隨著戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境復(fù)雜程度越來(lái)越高，偵察與通信系統(tǒng)的融合成為一種必然的發(fā)展趨勢(shì)。數(shù)據(jù)量大、算法復(fù)雜是數(shù)字化偵察接收系統(tǒng)的主要特征。使用DSP和FPGA進(jìn)行高速信號(hào)譜分析、濾波等預(yù)處理，借助通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的分選、顯示等后處理是一種理想的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。因此，如何構(gòu)建與PC機(jī)間的高速數(shù)據(jù)通道，便成了偵察接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題之一。PCI (Peripheral Component Interconnect)總線，即外圍部件互連總線，是目前應(yīng)用最廣泛的一種高速同步總線，在32位總線寬度33Mz時(shí)鐘下，其理論最大傳輸速率可達(dá)132Mbyte／s (64位總線寬度66MHz時(shí)可達(dá)到528Mbyte／s)，因此成為上述偵察接收系統(tǒng)中高傳輸速率、低成本PC接口的首選實(shí)現(xiàn)方式。目前，實(shí)現(xiàn)PCI總線接口的常用方法有兩種：一是采用專門的PCI橋芯片實(shí)現(xiàn)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(xiàn)PCI接口。
隨著集成電路技術(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，用戶可將PCI橋和其它用戶邏輯在一片可編程芯片上實(shí)現(xiàn)，其中后者不需要額外的PCI橋芯片，系統(tǒng)硬件電路得以簡(jiǎn)化，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性更高，進(jìn)而可以縮短系統(tǒng)開發(fā)周期?；谝陨峡紤]，本文提出一種采用可編程片上系統(tǒng)(System-On-Programmable-Chip，SOPC)實(shí)現(xiàn)偵察接收機(jī)PCI總線高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并采用直接存儲(chǔ)器訪問(Direct Memory Access，DMA)傳輸方式來(lái)提高數(shù)據(jù)傳輸速率。

1 PCI總線接口方案設(shè)計(jì)
在PCI總線接口標(biāo)準(zhǔn)中，根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(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(jù)工作方式的不同，DMA傳輸方式可分為連續(xù)式DMA (Continuous DMA)和集散式DMA(Scatter-Gather DMA)兩種。
1．1 PCI模式的選擇
PCI總線標(biāo)準(zhǔn)中，由PC發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸、讀／寫PCI接口卡的模式稱為從模式。這種模式只要求PCI接口設(shè)備具備PCI從設(shè)備的功能，接口邏輯相對(duì)較簡(jiǎn)單；主模式是由PCI接口卡主動(dòng)讀寫PC內(nèi)存，PCI接口的邏輯相對(duì)復(fù)雜。頻繁地要求PC發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸會(huì)占用PC的資源，為了減少PC的負(fù)擔(dān)，使其有更多的資源用于后續(xù)的數(shù)字信號(hào)處理，在偵察接收系統(tǒng)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(shù)據(jù)傳輸速率和微處理器使用效率的一種數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制。連續(xù)式DMA用于實(shí)現(xiàn)連續(xù)數(shù)據(jù)塊的傳輸，即在一次DMA傳輸中設(shè)備端讀／寫物理地址連續(xù)變化(讀存儲(chǔ)器空間)或不變化(讀IO口)，PC端的物理存儲(chǔ)地址連續(xù)變化。集散式DMA用于實(shí)現(xiàn)不連續(xù)數(shù)據(jù)塊的傳輸，各傳輸數(shù)據(jù)塊的起始讀／寫地址和長(zhǎng)度都可以不同，它采用一個(gè)寄存器鏈表存儲(chǔ)每個(gè)數(shù)據(jù)塊的讀／寫起始地址和長(zhǎng)度，DMA傳輸過程中自動(dòng)從該鏈表加載地址和長(zhǎng)度信息。集散模式DMA應(yīng)用靈活，其缺點(diǎn)是在傳輸完一個(gè)數(shù)據(jù)塊之后要重新配置DMA控制寄存器的值，速度比連續(xù)模式稍慢。在偵察接收系統(tǒng)中，DMA傳輸模式選擇連續(xù)式傳輸模式。
1．3 PCI總線DMA傳輸方案設(shè)計(jì)
PCI接口總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。數(shù)據(jù)輸入到乒乓RAM緩沖區(qū)，乒乓切換信號(hào)通知CPU數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，CPU通過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(shù)據(jù)，寫口將數(shù)據(jù)寫至PCI總線訪問端，PCI總線接口單元申請(qǐng)并獲得PCI總線訪問權(quán)，將數(shù)據(jù)送上PCI總線。

2 PCI總線接口的SOPC實(shí)現(xiàn)
SOPC是Ahera公司提出的一種靈活、高效的片上系統(tǒng)解決方案，它將處理器、存儲(chǔ)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(gòu)成一個(gè)可編程的片上系統(tǒng)。利用SOPC開發(fā)偵察接收機(jī)中的PCI總線接口，具有開發(fā)周期短、系統(tǒng)穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。