PCI_MT64 IP核的原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計

引言

隨著CompactPCI在中國大范圍的普及和使用，越來越多的企業(yè)開始研制基于CompactPCI接口的產(chǎn)品，市場上有一些專用PCI接口芯片。FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）技術(shù)的快速發(fā)展使得萬門以上乃至幾十萬門邏輯陣列的使用越來越普遍。與專用PCI接口芯片相似，很多FPGA制造商都提供了PCI接口核邏輯。設(shè)計者可以將PCI用戶邏輯與PCI Core集成在一片F(xiàn)PGA里，并且可以在頂層通過仿真來驗證PCI接口以及用戶邏輯設(shè)計的正確與否，這樣可以大幅度提高調(diào)試速度、縮短開發(fā)周期、提高電路板的集成度和系統(tǒng)的性能。目前，開發(fā)者最常用的兩種PCI IP核是ALTERA公司的PCI MEGACORE和XILINX公司的PCI Logicore。本文所介紹的PCI_MT64 IP核是ALTERA公司開發(fā)的一個功能強(qiáng)大的CPCI接口內(nèi)核，最高能實現(xiàn)64位的數(shù)據(jù)寬度和66MHz的工作頻率。文章介紹了PCI_MT64的工作原理以及此IP核在CPCI總線數(shù)據(jù)采集卡的應(yīng)用設(shè)計，并通過本地邏輯設(shè)計測試了此IP核的功能。

PCI_MT64 IP核的原理和結(jié)構(gòu)

根據(jù)用戶性質(zhì)的不同，CPCI接口類型分為兩種：MASTER（主設(shè)備） 和TARGET（從設(shè)備）。ALTERA公司據(jù)此開發(fā)了多種 PCI IP核：PCI_MT64、PCI_MT32、PCI_T64和PCI_T32。由于設(shè)計需要完成66MHz、64位寬度數(shù)據(jù)傳輸，且在主模式下DMA控制器才能工作，因此選擇了PCI_MT64。

PCI_MT64是支持33/66MHz工作頻率、64位PCI總線、支持主/從模式的PCI IP功能模塊。當(dāng)其寬度為64位、系統(tǒng)時鐘為66 MHz時，峰值傳輸速率為528 MB/s。其主要由8個模塊組成，如圖1所示。

圖1 PCI_MT64的模塊結(jié)構(gòu)

參數(shù)配置寄存器：提供參數(shù)確定的寄存器，包括設(shè)備識別、供應(yīng)商識別、分類代碼、修訂版本、基址寄存器和子系統(tǒng)供應(yīng)商等信息。在設(shè)計中，ALTERA公司提供了參數(shù)化的圖形界面，用戶只需按PCI協(xié)議輸入或選擇合理的值即可完成該寄存器的配置。

PCI側(cè)地址/數(shù)據(jù)緩沖模塊：用來緩存PCI總線側(cè)的地址數(shù)據(jù)輸入、輸出信號。

PCI側(cè)主/從模式控制模塊：用于控制PCI總線的主設(shè)備和從設(shè)備的各種時序操作。

Local側(cè)主/從模式控制模塊：用于控制PCI_MT64與本地邏輯的各種操作。

Local側(cè)地址/數(shù)據(jù)/命令/字節(jié)使能模塊：接收和輸出用戶側(cè)的所有地址、數(shù)據(jù)、命令、字節(jié)使能等信號。

奇偶校驗?zāi)K：用于對數(shù)據(jù)、地址、命令進(jìn)行奇偶校驗。

PCI_MT64 IP核在CPCI數(shù)據(jù)采集卡中的應(yīng)用設(shè)計

PCI_MT64 IP核在CPCI數(shù)據(jù)采集卡中的功能：與CPCI總線之間的通信和數(shù)據(jù)傳輸，并做奇偶校驗以保證正確性，即將復(fù)雜的CPCI總線信號轉(zhuǎn)換為相對簡單易操作的CPCI本地總線信號，它從CPCI總線側(cè)獲得傳輸命令和讀寫數(shù)據(jù)的地址后，一方面對這個操作命令做出反應(yīng)，將其傳達(dá)給本地邏輯，另一方面將CPCI總線傳送過來的數(shù)據(jù)地址映射為本地邏輯可識別的地址。當(dāng)本地端總線準(zhǔn)備好后，PCI IP核會收到本地邏輯做出的響應(yīng)信號，然后根據(jù)主從模式，讀/寫命令的不同執(zhí)行相應(yīng)的時序。簡單的說，它是CPCI總線和本地邏輯的橋梁，所以首先要設(shè)計CPCI本地側(cè)邏輯實現(xiàn)PCI IP核功能驗證，如圖2所示。

圖2 CPCI本地端邏輯設(shè)計

以上設(shè)計能快速評估PCI IP核的功能，當(dāng)PCI_MT64作為一個主設(shè)備，主模式控制邏輯連接DMA控制器來完成一次PCI主模式讀寫傳輸。當(dāng)PCI_MT64作為一個從設(shè)備，它觸發(fā)從模式控制邏輯來執(zhí)行一次從模式傳輸。CPCI數(shù)據(jù)采集卡使用DMA方式上傳數(shù)據(jù)，即將數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)處理后，緩存到FIFO，從FIFO中傳輸數(shù)據(jù)到上位機(jī)；使用從模式寫傳輸發(fā)送控制命令到板卡不同寄存器。當(dāng)進(jìn)行一次從模式傳輸時，PCI IP核不能啟動總線操作，只能依賴于主設(shè)備從其中讀取數(shù)據(jù)或向其傳送數(shù)據(jù)，相關(guān)設(shè)計較為簡單，而DMA模式是PCI_MT64配合自主設(shè)計的DMA控制器來實現(xiàn)的，所以DMA控制器是整個設(shè)計的關(guān)鍵。

DMA控制器由DMA寄存器和DMA狀態(tài)機(jī)兩個模塊構(gòu)成。DMA寄存器是主機(jī)控制DMA的窗口，包括控制狀態(tài)寄存器、地址寄存器、字節(jié)寄存器、中斷狀態(tài)寄存器和本地地址寄存器。DMA寄存器的地址直接映射到PCI的地址空間，其基地址對應(yīng)PCI IP核中的配置寄存器Bar0。主機(jī)通過設(shè)置在存儲器地址空間的DMA寄存器來控制DMA傳輸。DMA狀態(tài)機(jī)是控制主模式寫傳輸?shù)暮诵?，產(chǎn)生主模式傳輸需求的各種信號。狀態(tài)跳轉(zhuǎn)條件來自DMA寄存器，IP核以及DMA FIFO。狀態(tài)機(jī)流程圖如圖3所示。

圖3 DMA狀態(tài)機(jī)

以鏈?zhǔn)紻MA傳輸為例介紹其流程：主機(jī)首先把多組字節(jié)寄存器和地址寄存器的值寫入描述符FIFO，每一組字節(jié)寄存器和地址寄存器就是一個描述符；主機(jī)再寫本地地址寄存器和控制狀態(tài)寄存器即啟動了DMA狀態(tài)機(jī)，開始鏈?zhǔn)降臄?shù)據(jù)傳輸。狀態(tài)機(jī)跳入裝載DMA狀態(tài)，通過對DMA FIFO的讀取將需要的值寫入寄存器中，經(jīng)寄存器有效狀態(tài)進(jìn)入等待請求狀態(tài)。當(dāng)外部FIFO數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，DMA狀態(tài)機(jī)向主機(jī)發(fā)送總線請求信號，并等待主機(jī)的總線允許信號，此時狀態(tài)機(jī)進(jìn)入等待允許狀態(tài)；一旦接收到主機(jī)的總線允許信號，整個DMA傳輸開始，狀態(tài)機(jī)也進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)。在數(shù)據(jù)傳輸周期中，字節(jié)寄存器的值逐漸減少直到零時，一個描述符傳輸完成，每一個描述符傳輸完成的時候，狀態(tài)機(jī)并不進(jìn)入結(jié)束狀態(tài)，而是直接進(jìn)入空閑狀態(tài)，開始下一次描述符的傳輸，所以不產(chǎn)生中斷。等到DMA FIFO為空的時候，狀態(tài)機(jī)認(rèn)為本次鏈?zhǔn)紻MA傳輸完成，進(jìn)入到結(jié)束狀態(tài)，此時產(chǎn)生中斷，一次鏈?zhǔn)紻MA傳輸結(jié)束。

實驗調(diào)試及分析

PCI_MT64 IP核在CPCI數(shù)據(jù)采集卡中的應(yīng)用主要是完成數(shù)據(jù)的高速傳輸，包括從模式寫傳輸方式的數(shù)據(jù)下傳（控制命令）和DMA方式的數(shù)據(jù)上傳（采集卡數(shù)據(jù)）。在QuartusII9.0環(huán)境下，運(yùn)用Megacore PCI Complier對PCI_MT64進(jìn)行設(shè)置，并對CPCI本地端邏輯進(jìn)行了綜合編譯，生成網(wǎng)表文件，運(yùn)用Testbench工具對從模式寫傳輸方式進(jìn)行仿真，驗證了PCI_MT64 IP核的穩(wěn)定性。其時序仿真如圖4所示。

圖4 從模式單周期寫仿真時序

圖4中是一個對地址為8000H的MEM域空間的單周期寫操作，在第3個時鐘周期，F(xiàn)RAME#低電平有效，此時pci_ad的值是8000H，pci_cben的值是0111B，表示存儲器寫，在TRDY#和IRDY#同時有效的時候，數(shù)據(jù)由pci_ad傳給l_dato，這里寫入的數(shù)據(jù)是66666666H。由仿真圖可以看到，pci_ad和l_dato的數(shù)據(jù)是一樣的，所以從模式單周期寫傳輸正確。單周期讀寫適合少量數(shù)據(jù)傳輸，不同寄存器控制命令的發(fā)送及DMA寄存器的設(shè)置都是通過從模式下單周期讀寫實現(xiàn)的。

為測試PCI_MT64 IP核的本地端邏輯設(shè)計，調(diào)用基于Windriver編寫的驅(qū)動程序和用戶界面實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。這樣，既驗證了CPCI數(shù)據(jù)采集卡硬件邏輯的正確性，又驗證了軟件的正確性。其測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 應(yīng)用軟件測試界面

圖5中數(shù)據(jù)采樣率為500MHz，輸入信號頻率為16MHz，一個周期的采樣點(diǎn)數(shù)N=500/16=31.25，故250個點(diǎn)內(nèi)應(yīng)有250/31.25=8個周期的數(shù)據(jù)。采樣數(shù)據(jù)的幅值以十六進(jìn)制格式在列表框中顯示。波形顯示了有限數(shù)據(jù)的連續(xù)傳輸，沒有任何數(shù)據(jù)丟失，驗證了基于PCI_MT64 IP核在數(shù)據(jù)采集卡中采用DMA方式傳輸數(shù)據(jù)的完整性及傳輸速度。

結(jié)束語

PCI_MT64 IP核能有效的滿足CPCI數(shù)據(jù)采集卡對數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)囊?，實現(xiàn)CPCI接口功能，并能與用戶邏輯配合工作，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的緩存和傳輸。相較于使用PCI專用芯片實現(xiàn)接口功能的方法，本設(shè)計具有電路板集成性能高、功耗低、成本低、方便移植等優(yōu)點(diǎn)。

電子科技大學(xué)自動化工程學(xué)院 王俊麗 王志剛