基于PCD656的高速PCI总线接口的设计与实现

     现代雷达信号处理具有数据量大、实时性高等特点，而总线传输的效率决定了系统的性能，目前普遍使用标准化的PCI总线技术，以便升级更新。为加快产品开发和降低设计难度，一般有两种解决方法：采用通用的PCI芯片或IP核。目前常用的PCI芯片如PCD054、PCD052等虽然性能稳定、使用方便，但它们只适用33 MHz、32位总线接口，受时序设计和应用程序效率等影响，总线传输速度约稳定在70 MB·s-1；使用IP核虽可以兼容66 Hz、64位总线且节省板卡面积，但其价格昂贵不利于高校及中小企业推广使用。而PCI9656适用于66 MHz、64位的PCI总线，因此逐渐成为总线开发的主流元器件，使得总线传输速度达到了150 MB·s-1甚至更高。

　　本文利用高效PCI芯片和FPGA设计了一款64位总线传输接口电路，传输速度达到212 MB·s-1，较以往总线传输速度有了较大地提高，满足了目前高速数据传输系统的要求。

　　1 PCI总线接口架构

　　本系统主要由PCI9656和FPGA构成，系统框图如图1所示。当主机发起读写操作时PCI9656需要响应其操作，并将相应命令发送到FPGA进行处理，FPGA进行处理后将数据和命令通过PCI9656回传给主机。PCI9656与主机之间的通信需要相应的设备驱动程序支持，而FPGA响应主机命令则需要配置相应的局部时序。因此，本设计主要的工作为设备驱动程序的开发和FPGA局部时序的设计。

图1 总体传输系统框图

　　2 PCI9656性能概述

　　PCI9656是PLX公司推出的一款兼容32位和64位PCI总线标准的桥接芯片，采用PLX数据流水线结构（Data Pipe Architecture），内部配有DMA控制器、可编程主模式传输及从模式传输；内部有PCI优先判决器，可以支持外部7个外部主控器；可由本地中断信号LINTi和LINTo生成一个PCI中断信号INTA；本地时钟独立于PCI时钟工作；支持位宽为8位、16位和32位的66，MHz本地总线。PCI9656寄存器与PCI9054寄存器兼容，可容易地进行基于32位PCI总线与基于64位PCI总线的软件移植。

　　PCI 9656具有6条独立的数据通道，分别支持Direct Master、Direct Slave以及DMA功能模式下的数据传输。

　　（1）Direct Master模式。用于局部总线到PCI（CompactPCI）的数据传输，主控设备在局部总线端。16 QWord（128 Byte）和32 QWords（256Byte）的FIFO各应用于数据的读、写通道。

　　（2）Direct Slave模式。用于PCI（CompactPCI）到局部总线的数据传输，主控设备在PCI端。16QWords（128 Byte）和32 QWords（256 Byte）的FIFO各应用于数据的读、写通道。

　　（3）DMA模式。DMA传输时PCI9656同时是PCI和局部总线的主控设备，PCI 9656有两条DMA通道（Channel 0、Channel 1），每条通道都由一DMA控制器和32 QWords（256 Byte）双向FIFO组成。其DMA方式有常规的块模式（Block Mode）、集散模式（Scatter／Gather Mode）和命令模式（Demand Mode）。

　　在局部总线端，根据不同的处理器PCI9656有3种工作模式。

　　（1）M模式。支持Motorola 32 bit的处理器，提供了可与MPC850／860 PowerQUICC直接相连的接口。

　　（2）C模式。适合大多数处理器的通用模式，比如常用的FPGA，在本设计中采用此模式。

　　（3）J模式。与C模式类似，但其地址线与数据线复用。

　　3 总线设备驱动开发

　　在Windows环境下开发PCI设备驱动程序主要有两种模型，即WinDriver和WDM。本设计使用了WDM驱动模型。开发PCI设备驱动程序WDM需要处理：硬件访问、中断处理和DMA传输3方面问题。

　　3.1 硬件访问

　　X86处理器有两种独立的映射空间：I／O空间和内存空间，I／O空间只能通过I／O指令来访问，KIoRange类封装了对I／O空间的操作命令。对于设计的PCI设备，可以通过实例化KIoRange类来对I／O空间进行相应的操作。

　　对于PCI设备可以使用KMemoryRange类对内存进行相应操作，具体操作与KIoRange类对I／O空间的操作相似。

　　3.2 中断处理

　　驱动程序使用KInterrupt类来实现对中断操作的处理，其中包括中断的初始化、将一个中断服务例程连接到一个中断和解除其连接等。

　　中断服务例程不是KInterrupt类的成员函数，这是为了减少中断延迟时间。中断处理需要中断服务例程和延迟过程调用例程，在中断服务例程中，首先判断该中断是否是自己设备产生的，若不是，则返回False；若是，则请求一个延迟过程调用例程（DPC）。

　　3.3 DMA传输

　　PCI9656使用DMA方式进行数据传输。实现DMA传输需要3个类：KDmaAdapter，KDmaTransfer和KCommonDmaBuffer。其中，KDmaAdapter类用于建立一个DMA适配器，它说明了DMA通道的特性，如总线宽度，单次传输最大个数等，需要注意的是本设备使用的是64位总线宽度，因此需要特别指出；KDmaTransfer类用于DMA传输控制，如传输开始、传输字节数等；KCommonDmaBuffer类用于申请系统提供的公共缓冲区。具体DMA传输设置如下

　　（1）实例化三个类

　　OnDmaReady例程中获取传输的物理内存的地址和字节数，然后设置相应的DMA寄存器值开始DMA传输。DMA传输结束后，应使m_CmxentTm-nsfer无效并删除。具体流程如图2所示。

图2 DMA传输流程

　　4 局部总线端设计

　　本设计中，局部总线端采用了C模式。C模式下可配置3种数据传输方式：单周期方式（Single Cycle Mode）、4字方式（Brust-4 Mode）和连续突发传输方式（Continuous Mode），在本设计中采用了连续突发方式，可以有效地提高输出效率。

　　PCI9656在局部总线为为主设备，始终占用局部总线，局部总线端的FPGA始终响应PCI9656的操作。方案中使用PCI9656的DMA传输模式，在本地端不需要进行地址译码，因此可以对PCI9656的控制信号进行简化处理，PCI9656的局部端主要控制信号如下

　　ADS#：一次总线访问开始；

　　Blast#：总线访问结束；

　　LW／R#：读写控制信号；

　　Ready#：从设备准备好信号，有效时表示总线访问进行中；

　　LHOLD：PCI9656占用本地总线申请信号；

　　LHOLDA：占用本地总线应答信号；

　　Wait#：主设备传输暂停信号；

　　EOT#：数据传输异常中止信号，用于FIFO溢出或空时中断数据传输；

　　Lint#：用于引起CompaetPCI总线端的中断信号；

　　LRST#：本地总线复位信号；

　　CCS#：配置寄存器选择信号。

　　在DMA传输过程中主要关心的信号可简化为：ADS#、Blast#、LW／R#、Ready#、LHOLD、LHOLDA，如图3所示。

图3 PCI局部总线控制时序

　　图3中，lclk为本地总线时钟，当PCI9656要发起一次DMA操作时，先发送lhold信号申请本地总线，若本地总线空闲则FPGA发出lholda信号响应PCI9656，然后PCI有效ads_n信号以示总线传输开始，FPGA使ready_n有效以示总线传输正在进行中，此时本地数据通过局部数据线传送到PCI总线，或着数据由PCI总线传送到局部逻辑。一次传输结束时PCI使blast_n信号有效并使lhold信号无效，然后FPGA使lholda信号和ready_n信号无效，一次DMA传输完成。传输中若是DMA读操作则lwr信号拉低，若为写操作则拉高。

　　本地总线位宽为32位，因此本地总线理论速度为264MB·s-1，由于应用程序的效率问题和传输中一些无效状态的存在，目前PCI总线平均速率达到212 MB·s-1，可以满足目前高速数据采集、传输对总线传输速度的要求。

　　PCI9656本地总线时序设计中需要注意blast_n信号有效说明为突发传输最后一个时钟周期，此时ready_n信号仍然为有效，否则会造成总线等待；在正常读写访问中CCS#信号应置高，否则总线访问将指向配置空间而非内存或I／O空间。

　　5 结束语

　　利用PCI9656和FPGA实现了一种高速PCI总线接口，较全面地论述了总线驱动开发和局部时序设计的过程。这种设计提高了总线传输速度，为高速数据采集系统的实现创造了条件。