基于Virtex-6的PCI Express高速采集卡设计

摘要：为了提高数据采集速率，适应大数据量交互处理要求，介绍了一种应用Virtex-6芯片的PCI Express高速采集卡设计。Virtex-6内嵌PCIE协议硬核能完成完整的PCIE分层协议，实现与上位机通信。设计了DMA控制器，作为采集卡数据传输主控，实现基于PCI Express总线的DMA高速数据传输方案。主机软件系统包括驱动程序和应用软件2部分。经实验测试，该采集卡能完成时外部高速数据的实时采集，性能稳定可靠。
关键词：数据采集；PCI Express；FPGA；DMA

随着计算机技术的发展，以及大数据量交互的需要，硬件系统对PC总线传输速率、数据完整性提出了越来越高的应用要求。传统的PCI总线技术虽然经过不断的改进，开发出64 b，66 MHz的并行协议PCI-X标准，但由于并行总线整体设计难度以及造价高昂，主流的PCI技术已经成为限制数据传输系统性能发挥的瓶颈。因此，第3代I／O技术PCI Express总线标准一经推出即成为取代PCI总线的下一代标准，并得到迅速的发展。
PCI Express总线利用串行的连接特点能轻松的将数据整体传输速度提到一个更高的频率，达到远远超出以往PC总线的传输速度，同时保证了数据的完整性。PCI Express连接采用点对点差分传输，可以被配置成最高x32的数据带宽，其中：PCI Express Gen2．0标准的x1通道传输能力达到单向5 Gb／s。PCI Express总线设备可以通过主机桥接器芯片进行基于主机的传输，也可以通过交换器进行多点传输，这极大的拓展了PC总线的开发灵活性。Xilinx公司的Virtex-6系列FPGA芯片内嵌了PCI Express协议硬核，支持x1，x2，x4和x8通道传输，为实现PCI Express总线解决方案单片集成提供了可能。
本文在研究PCI Express协议标准及其接口技术的基础上，设计了基于Virtex-6 FPGA芯片的PCI Express高速数据采集卡，实现了外部系统与PC的数据交互。

1 系统总体设计
PCI Express采集系统组成框图如图1所示。

采集系统以FPGA作为采集卡的控制核心，外部数据经数据接口传入FPGA，FPGA通过内部逻辑对高速数据进行必要的时序控制和相关处理后将数据存储到片外的SDRAM进行缓存，然后采集卡在总线主控DMA控制器的控制下，通过PCIE x8通道将缓存的数据写入计算机内存。上位机由驱动软件识别PCIExpress采集卡，并设置DMA控制寄存器，通过上层应用软件接收硬件电路发送到内存的数据，并在每次传输结束是处理中断。采用DMA模式传输实现了在实时数据高速采集的同时，不影响上位机对数据的处理工作，不仅提高了采集系统整体的采集速度，也保证了数据质量，以及测试分析完整性。
数据接口模块完成外部数据的差分接收，这有利于保证高速数据的传输质量。Virtex-6 FPGA实时接收差分信号，并在Data Processor模块中进行解码然后根据一定时序通过高速FIFO缓存送入外部SDRAM存储模块。PCI Express IP Core为Virtex-6 FPGA内部集成协议硬核，完成数据的分层打包，DMA控制器作为PCI Express总线传输的主控，实现了DMA方式传输。

2 采集卡硬件设计
2．1 基于IP Core的PCI Express接口设计
本采集卡采用Xilinx公司的Virtex-6系列FPGA芯片作为核心控制器。该款FPGA中内置了PCI Express集成模块和RocketIO GTP收发器，提供了符合《PCI Express基本规范v2．0》的PCI-E解决方案，单通道最高设计速度达到5 Gb／s。根据PCI-E总线的分层模型，Virtex-6集成端点模块提供事务层(TL)、数据链路层(DLL)、物理层(PHYMAC)以及配置空间所具有的全部功能。通过使用Xilinx公司提供的PCI Express LogiCORE IP Endpoint Block Plus核，可实现符合PCI-E总线协议的数据传输。Endpoint Block Plus核在内部例化了Virtex-6集成端点模块，实现了集成端点模块和GTP收发器之间的数据传输。集成硬核顶层模块接口组成如图2所示。