FPGA的雙緩沖模式PCI Express總線設(shè)計

引言

近年來軟件無線電（SDR）得到了飛速的發(fā)展，在很多領(lǐng)域已顯示出其優(yōu)越性。本文的項目背景是通過軟件無線電方式實現(xiàn)數(shù)字音頻廣播（DAB）的基帶信號處理，這要求軟件無線電平臺具有高速實時數(shù)字信號處理與傳輸能力。高速可編程邏輯器件（FPGA）和豐富的IP核提供了能高效實現(xiàn)軟件無線電技術(shù)的理想平臺。

1 PCIE總線方案論證

PCIE是第3代I/O總線互聯(lián)技術(shù)，如今已成為個人電腦和工業(yè)設(shè)備中主要的標(biāo)準(zhǔn)互聯(lián)總線。與傳統(tǒng)的并行PCI總線相比，PCIE采用串行總線點對點連接，具有更高的傳輸速率和可擴(kuò)展性。例如本文采用的8通道1代PCIE 2.0硬核的理論傳輸速率是4 GB/s[1]，其總線位寬亦可根據(jù)需求選擇×1、×2、×4和×8通道。與其他的串行接口（如RapidIO和Hypertransport）相比，PCIE具有更好的性能和更高的靈活性[2]。

1.1 PCIE總線實現(xiàn)方式

目前，PCI Express總線的實現(xiàn)方式主要有兩種：基于專用接口芯片ASIC和基于IP核的可編程邏輯器件FPGA方案。前者通常采用ASIC+FPGA/DSP的組合方式，專用PCIE接口芯片（如PEX8311）避免用戶過多地接觸PCIE協(xié)議，降低了開發(fā)難度；但其硬件電路設(shè)計復(fù)雜，功能固定，靈活性和可擴(kuò)展性較差。后者使用IP核實現(xiàn)PCIE協(xié)議，用戶可以開發(fā)其所需的功能和驅(qū)動，具有可編程性和可重配置能力；另外,單片F(xiàn)PGA降低了成本和電路復(fù)雜程度，更符合片上系統(tǒng)（SoC）的設(shè)計思想。本文采用Xilinx公司Virtex6 FPGA和PCIE集成塊，實現(xiàn)雙緩沖模式的高速PCIE接口設(shè)計。

1.2 雙緩沖與單緩沖比較

以寫操作（數(shù)據(jù)從FPGA到內(nèi)存）為例，雙緩沖PCIE系統(tǒng)框圖如圖1所示。為描述方便，將該FPGA片上系統(tǒng)命名為SRSE(Software Radio System with PCI Express)。

圖1 雙緩沖PCIE系統(tǒng)框圖

PC端的驅(qū)動程序在系統(tǒng)內(nèi)存上為SRSE分配了兩個緩沖區(qū)（WR_BUF1/2）用于數(shù)據(jù)存儲，這兩個緩沖區(qū)的地址信息分別存儲在FPGA端的DMA寄存器（DAM_Reg1/2）中。Root Complex連接CPU、內(nèi)存和PCIE器件，它代表CPU產(chǎn)生傳輸請求[3]；PCIE核是Xilinx公司提供的集成塊程序，實現(xiàn)PCIE協(xié)議的處理；DMA（直接存儲器訪問）引擎用于實現(xiàn)DSP核和PCIE器件間的高速數(shù)據(jù)存儲與交換；DSP（數(shù)字信號處理）核是用戶設(shè)計的算法或應(yīng)用程序。以圖1為例，DSP核將產(chǎn)生的數(shù)據(jù)寫入TX_FIFO，DMA引擎將數(shù)據(jù)以傳輸層數(shù)據(jù)包（TLP）的形式發(fā)送至PCIE核，其中數(shù)據(jù)包的頭信息來自寄存器DMA_Reg1。當(dāng)SRSE將數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)WR_BUF1時，驅(qū)動分配另外一塊緩沖區(qū)WR_BUF2并將該緩沖區(qū)的地址信息寫入寄存器DMA_Reg2中；當(dāng)DMA引擎發(fā)出WR_BUF1的寫操作消息中斷（MSI）后，DMA控制器將數(shù)據(jù)包的頭信息切換至DMA_Reg2，驅(qū)動將緩沖區(qū)切換至WR_BUF2，繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)。

圖2 PCIE總線中斷延遲測量

與雙緩沖相對應(yīng)的是單緩沖模式。以寫操作為例，驅(qū)動程序每次在內(nèi)存上分配一個緩沖區(qū)WR_BUF，該緩沖區(qū)的地址信息存儲在DMA寄存器DMA_Reg中。當(dāng)寫滿緩沖區(qū)WR_BUF時，DMA引擎會產(chǎn)生MSI中斷，并通過PCIE核通知驅(qū)動程序。驅(qū)動分配新的緩沖區(qū)，并將該緩沖區(qū)地址通過PCIE總線寫入DMA寄存器DMA_Reg中。中斷的傳輸和DMA寄存器的更新會產(chǎn)生一定延時，這需要較大的TX_FIFO來存取延時期間DSP核產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。

為精確測量中斷延時時間，搭建了基于DELL T3400型PC和ML605開發(fā)套件的平臺，通過ChipScope觀察的波形結(jié)果如圖2所示。DMA中斷發(fā)生在時刻0（mwr_done:0﹥1）；然后PCIE核向驅(qū)動發(fā)出MSI中斷，驅(qū)動程序查詢中斷寄存器發(fā)生在時刻2241（irq_wr_accessed:1﹥0）；驅(qū)動程序分配新的內(nèi)存緩沖區(qū)，然后更新DMA寄存器發(fā)生在時刻2802（wr_dma_buff0_rdy:0﹥1）。在這2802個時鐘周期內(nèi)，PCIE器件無法將數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存。PCIE的時鐘頻率為250 MHz，所以中斷延時T=2802×（1/250 MHz）=11.2 μs。假定DSP核產(chǎn)生數(shù)據(jù)的速率為200 MB/s，中斷延時期間將產(chǎn)生11.2 μs×200 MB/s=2241 B大小的數(shù)據(jù)。考慮到其他不可預(yù)測因素，如中斷堵塞等，為了不丟失數(shù)據(jù)，TX_FIFO至少需要幾KB的空間。這對于FPGA內(nèi)寶貴的硬件資源（如Block RAM）來說是嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

與單緩沖模式相比，雙緩沖模式優(yōu)點歸納如下：

① 更新緩沖區(qū)不會引入中斷延時，這意味著較小的FIFO即可滿足需求，節(jié)約了硬件資源。
② 雙緩沖模式延長了驅(qū)動程序處理中斷的時間，也使緩沖區(qū)數(shù)據(jù)的處理更加容易，丟包率大大減小。
③ 數(shù)據(jù)的傳輸和內(nèi)存緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)處理可以并行處理，系統(tǒng)的實時性得到保證。
④ 雙緩沖更適合Scatter/Gather DMA，取代block DMA，從而提高內(nèi)存效率。

2 軟件無線電平臺設(shè)計

軟件無線電基于可編程、可重構(gòu)的通用硬件平臺，通過加載不同的軟件實現(xiàn)不同的無線電功能，廣泛應(yīng)用于軍用和民用領(lǐng)域。為了能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的算法，其平臺需要具備高速數(shù)據(jù)交換和實時信號處理的能力。該設(shè)計參考Xilinx ML605開發(fā)套件，基于Xilinx Virtex6 LX240T FPGA芯片，通過增加相應(yīng)的模塊搭建通用的軟件無線電平臺。

軟件無線電原理框圖如圖3所示。信號獲取模塊采用兩片ADC和DAC以實現(xiàn)IQ兩路信號的數(shù)模轉(zhuǎn)換；通信模塊由以太網(wǎng)和USBRS232接口組成；擴(kuò)展卡可以是射頻發(fā)射機(jī)或接收機(jī)，通過擴(kuò)展卡接口與母板相連；JTAG接口提供在線編程和內(nèi)部測試功能；存儲器件包括512 MB DDR3內(nèi)存和128 MB平臺Flash，分別用于動態(tài)數(shù)據(jù)存儲和配置FPGA；人機(jī)接口由LED/LCD、按鍵和開關(guān)等元件組成，實現(xiàn)人機(jī)對話；200 MHz有源晶振和SMA時鐘接口組成時鐘輸入模塊，向FPGA提供時鐘基準(zhǔn)；8通道PCIE接口和IP核實現(xiàn)平臺與PC間高速數(shù)據(jù)交換。

圖3 軟件無線電原理框圖

3 雙緩沖模式PCIE總線設(shè)計

3.1 PCIE驅(qū)動設(shè)計

PC端基于Linux（Ubuntu 10.10）操作系統(tǒng)。該操作系統(tǒng)免費開源，安全穩(wěn)定靈活，適合低成本軟件開發(fā)。驅(qū)動程序包含數(shù)據(jù)流接口和控制接口。數(shù)據(jù)流接口用于Linux用戶空間和SRSE平臺間高速的數(shù)據(jù)交換；控制接口使用戶可以觀察和配置SRSE平臺寄存器，例如通過控制接口，用戶可以在PC端改變SRSE平臺的調(diào)諧頻率等參數(shù)。數(shù)據(jù)流接口是雙向獨立的，支持雙/單工，即可以同時讀和寫數(shù)據(jù)。以數(shù)據(jù)發(fā)送（從PC到SRSE）為例，用戶空間調(diào)用write()函數(shù)將任意數(shù)量的數(shù)據(jù)發(fā)送至驅(qū)動，驅(qū)動整理數(shù)據(jù)碎片以滿足PCIE對數(shù)據(jù)對齊和傳輸塊數(shù)據(jù)量的要求。當(dāng)數(shù)據(jù)滿足4096字節(jié)，驅(qū)動將數(shù)據(jù)塊發(fā)送至Root Complex并保留已發(fā)送數(shù)據(jù)的列表，等待接收來自SRSE平臺的寫操作中斷。PCIE驅(qū)動數(shù)據(jù)接收的原理如圖4所示。當(dāng)用戶空間調(diào)用read()函數(shù)或者驅(qū)動接收到來自PCIE設(shè)備的數(shù)據(jù)時，驅(qū)動初始化讀操作。驅(qū)動程序?qū)⒈３肿枞╞locking），直到用戶空間調(diào)用read()函數(shù)，并且已接收到足夠的數(shù)據(jù)包，從而能夠填滿read()請求的數(shù)據(jù)量。碎片整理模塊對已接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，然后將數(shù)據(jù)塊返回至用戶空間，并通知其解除驅(qū)動阻止。

圖4 PCIE驅(qū)動中的數(shù)據(jù)接收

3.2 PCIE核配置

Virtex6 PCIE Endpoint Block[4]集成了傳輸層（TL）、數(shù)據(jù)鏈路層（DLL）和物理層（PL）協(xié)議，它完全符合PCIE基本規(guī)范，可配置性增加了設(shè)計的靈活性，降低了成本。其功能框圖與接口如圖5所示。其中收發(fā)器通過PCIE總線與Root Complex實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的傳遞，PCIE總線由系統(tǒng)接口和PCIE接口組成；系統(tǒng)接口由復(fù)位和時鐘信號組成，PCIE接口由8條差分傳輸和接收對組成（8lane）。TX/RX Block RAM用來存儲來自DMA引擎和系統(tǒng)內(nèi)存的數(shù)據(jù)，其大小可以通過Xilinx Core Generator配置。傳輸接口為用戶提供了產(chǎn)生和接收TLP的機(jī)制；物理層接口使用戶能夠觀測和控制鏈路的狀態(tài)；配置接口使用戶能夠觀察和配置PCIE終端的配置空間，即DMA寄存器；中斷接口實現(xiàn)DMA與PCIE核之間的中斷傳輸。用戶通過這些接口設(shè)計符合其需要的DMA引擎。

圖5 PCIE功能框圖與接口

本文使用Xilinx CORE Generator生成PCIE核，其主要配置參數(shù)如表1所列。

表1 PCIE核主要配置參數(shù)


3.3 總線主控DMA傳輸

參考Xilinx應(yīng)用實例XAPP1052[5],本文設(shè)計的DMA結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示，各部分功能介紹如下：

① 發(fā)射引擎。發(fā)射引擎產(chǎn)生傳輸層數(shù)據(jù)包（TLP）并通過傳輸接口發(fā)送至PCIE核，數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)來自TX_FIFO，頭信息來自DMA控制/狀態(tài)寄存器，也負(fù)責(zé)驅(qū)動對DMA寄存器的讀取。
② 接收引擎。接收引擎將來自上位機(jī)的數(shù)據(jù)包解碼并轉(zhuǎn)存至RX_FIFO中，也接收來自驅(qū)動的配置信息并將寄存器值寫入DMA控制/狀態(tài)寄存器中。
③ DMA控制/狀態(tài)寄存器。該模塊是DMA的主控制器，控制著DMA復(fù)位、讀寫等操作；內(nèi)存緩沖區(qū)的地址信息和TLP包長度等信息也存儲在該寄存器中。
④ MSI中斷控制器。該模塊產(chǎn)生讀寫中斷，然后通過中斷接口通知PCIE核，進(jìn)而通知驅(qū)動程序。
⑤ TX/RX_FIFO。通過Xilinx Core Generator將FIFO配置為獨立時鐘異步模式，實現(xiàn)不同時鐘域的數(shù)據(jù)緩沖和位寬轉(zhuǎn)換。本文PCIE時鐘為250 MHz、位寬64位，而DSP核時鐘為200 MHz、位寬32位。
⑥ PCIE核。該模塊為例化的PCIE集成塊，框圖和參數(shù)詳見圖5和表1。
⑦ DSP核。該模塊為用戶設(shè)計的算法或者功能模塊，例如通過Simulink調(diào)用Xilinx庫實現(xiàn)某種功能。

圖6 DMA結(jié)構(gòu)框圖

3.4 雙緩沖PCIE協(xié)議

以寫操作為例，雙緩沖PCIE協(xié)議如圖7所示。初始化時，驅(qū)動程序在內(nèi)存中分配兩塊緩沖區(qū)Buff 1a/2a，然后將Buff 1a的地址信息寫入DMA控制/狀態(tài)寄存器DMA_Reg1（圖1）中并開始寫操作；DMA引擎將FIFO中的數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包的形式通過PCIE總線發(fā)送至緩沖區(qū)Buff 1a中，期間驅(qū)動程序?qū)uff 2a的地址信息發(fā)送至DMA控制/狀態(tài)寄存器DMA_Reg2中；當(dāng)Buff 1a寫操作完成時，MSI中斷控制器產(chǎn)生MSI中斷并通知驅(qū)動，此時驅(qū)動和DMA控制器同時切換緩沖區(qū)，即驅(qū)動將緩沖區(qū)切換至Buff 2a，DMA控制器將TLP頭信息切換至DMA_Reg2，如此繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)。

圖7 雙緩沖PCIE操作協(xié)議（寫操作）

將MSI中斷與新緩沖區(qū)配置間的時間間隔稱為中斷延時，如圖2和圖7所示。雙緩沖模式的引入消除了中斷延時的影響，使SRSE在中斷延時期間仍能傳輸數(shù)據(jù)，節(jié)約了硬件資源，驅(qū)動程序也有更多時間來處理緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)。

4 PCIE調(diào)試與性能

參考文獻(xiàn)[4]提供了Root Port的Test Bench，它可以模擬PC和驅(qū)動程序，如初始化DMA引擎、產(chǎn)生下行數(shù)據(jù)流并發(fā)送至PCIE設(shè)備，也可以接收來自PCIE設(shè)備的上行數(shù)據(jù)流等，使整個系統(tǒng)（PCIE核+DMA引擎+DSP核）可以在Modelsim SE環(huán)境下仿真。這大大縮短了開發(fā)周期，提高了開發(fā)效率。功能仿真通過后，使用Xilinx ISE 軟件完成代碼的輸入、綜合、實現(xiàn)、驗證和下載。

硬件平臺為DELL T3400型PC和Xilinx ML605開發(fā)套件。PC端基于Ubuntu 10.10操作系統(tǒng)運行驅(qū)動程序，F(xiàn)PGA端DSP核（圖6）通過Matlab Simulink調(diào)用Xilinx元件庫實現(xiàn)。本文DSP核由32位計數(shù)器和加法器組成：計數(shù)器將值寫入TX_FIFO，PC端檢測接收數(shù)據(jù)以驗證寫操作（SRSE→PC）；同樣地，PC端產(chǎn)生+1計數(shù)值并將數(shù)據(jù)寫入RX_FIFO，DSP核的加法器用來驗證讀操作（PC→SRSE）。

結(jié)語

本文設(shè)計了基于Xilinx Virtex6 FPGA的通用軟件無線電平臺，利用C語言開發(fā)了基于Linux系統(tǒng)的驅(qū)動程序，利用Verilog語言設(shè)計基于Xilinx PCIE硬核的雙緩沖DMA控制器。雙緩沖消除了中斷延時的影響，節(jié)約了硬件資源，提高了數(shù)據(jù)傳輸速度。