基于SOPC的PCI总线高速数据传输系统设计

作者：时间：2012-02-07来源：网络收藏

摘要：本文针对一体化侦察通信接收机高速数据传输的需求，提出了一种基于SOPC实现PCI总线高速传输系统的设计方案。该方案将PCI桥与用户逻辑集成到一片FPGA上，并利用片上CPU实现了DMA控制器的自动配置和总线异常处理，提高了系统数据速率。经硬件平台验证，该设计能够实现大于100M bytes／s的PCI总线传输速率。
关键字：PCI总线；现场可编程门阵列；片上系统；直接存储器存储

随着战场电磁环境复杂程度越来越高，侦察与通信系统的融合成为一种必然的发展趋势。数据量大、算法复杂是数字化侦察接收系统的主要特征。使用DSP和FPGA进行高速信号谱分析、滤波等预处理，借助通用计算机平台实现信号的分选、显示等后处理是一种理想的系统设计方案。因此，如何构建与PC机间的高速数据通道，便成了侦察接收系统设计中的关键问题之一。PCI (Peripheral Component Interconnect)总线，即外围部件互连总线，是目前应用最广泛的一种高速同步总线，在32位总线宽度33Mz时钟下，其理论最大传输速率可达132Mbyte／s (64位总线宽度66MHz时可达到528Mbyte／s)，因此成为上述侦察接收系统中高传输速率、低成本PC接口的首选实现方式。目前，实现PCI总线接口的常用方法有两种：一是采用专门的PCI桥芯片实现PCI接口，如PLX公司的PCI905X系列芯片等；二是使用可编程芯片实现PCI接口。
随着集成电路技术的发展，可编程芯片成本越来越低、资源越来越丰富，用户可将PCI桥和其它用户逻辑在一片可编程芯片上实现，其中后者不需要额外的PCI桥芯片，系统硬件电路得以简化，系统的稳定性和可靠性更高，进而可以缩短系统开发周期。基于以上考虑，本文提出一种采用可编程片上系统(System-On-Programmable-Chip，SOPC)实现侦察接收机PCI总线高速数据传输系统的设计方案，并采用直接存储器访问(Direct Memory Access，DMA)传输方式来提高数据传输速率。

1 PCI总线接口方案设计
在PCI总线接口标准中，根据数据传输的发起者所在位置，PCI接口有从模式和主模式两种工作模式。根据工作方式的不同，DMA传输方式可分为连续式DMA (Continuous DMA)和集散式DMA(Scatter-Gather DMA)两种。
1．1 PCI模式的选择
PCI总线标准中，由PC发起数据传输、读／写PCI接口卡的模式称为从模式。这种模式只要求PCI接口设备具备PCI从设备的功能，接口逻辑相对较简单；主模式是由PCI接口卡主动读写PC内存，PCI接口的逻辑相对复杂。频繁地要求PC发起数据传输会占用PC的资源，为了减少PC的负担，使其有更多的资源用于后续的数字信号处理，在侦察接收系统中，PCI接口卡的传输模式选择主传输模式。
1．2 DMA传输方式的选择
DMA是提高数据传输速率和微处理器使用效率的一种数据传输机制。连续式DMA用于实现连续数据块的传输，即在一次DMA传输中设备端读／写物理地址连续变化(读存储器空间)或不变化(读IO口)，PC端的物理存储地址连续变化。集散式DMA用于实现不连续数据块的传输，各传输数据块的起始读／写地址和长度都可以不同，它采用一个寄存器链表存储每个数据块的读／写起始地址和长度，DMA传输过程中自动从该链表加载地址和长度信息。集散模式DMA应用灵活，其缺点是在传输完一个数据块之后要重新配置DMA控制寄存器的值，速度比连续模式稍慢。在侦察接收系统中，DMA传输模式选择连续式传输模式。
1．3 PCI总线DMA传输方案设计
PCI接口总体结构框图如图1所示。数据输入到乒乓RAM缓冲区，乒乓切换信号通知CPU数据准备好，CPU通过PCI桥的控制状态寄存器判断PC端是否备妥，如PC备妥则配置并启动DMA控制器，DMA控制器读口从乒乓RAM中读数据，写口将数据写至PCI总线访问端，PCI总线接口单元申请并获得PCI总线访问权，将数据送上PCI总线。