基于FPGA的双缓冲模式PCI Express总线设计方案

引言

    近年来软件无线电（SDR）得到了飞速的发展，在很多领域已显示出其优越性。本文的项目背景是通过软件无线电方式实现数字音频广播（DAB）的基带信号处理，这要求软件无线电平台具有高速实时数字信号处理与传输能力。高速可编程逻辑器件（FPGA）和丰富的IP核提供了能高效实现软件无线电技术的理想平台。
 
1  PCIE总线方案论证

    PCIE是第3代I/O总线互联技术，如今已成为个人电脑和工业设备中主要的标准互联总线。与传统的并行PCI总线相比，PCIE采用串行总线点对点连 接，具有更高的传输速率和可扩展性。例如本文采用的8通道1代PCIE 2.0硬核的理论传输速率是4 GB/s[1],其总线位宽亦可根据需求选择×1、×2、×4和×8通道。与其他的串行接口（如RapidIO和Hypertransport）相 比，PCIE具有更好的性能和更高的灵活性[2].
 
    1.1  PCIE总线实现方式

    目前，PCI Express总线的实现方式主要有两种：基于专用接口芯片ASIC和基于IP核的可编程逻辑器件FPGA方案。前者通常采用ASIC+FPGA/DSP 的组合方式，专用PCIE接口芯片（如PEX8311）避免用户过多地接触PCIE协议，降低了开发难度；但其硬件电路设计复杂，功能固定，灵活性和可扩 展性较差。后者使用IP核实现PCIE协议，用户可以开发其所需的功能和驱动，具有可编程性和可重配置能力；另外，单片FPGA降低了成本和电路复杂程 度，更符合片上系统（SoC）的设计思想。本文采用Xilinx公司Virtex 6 FPGA和PCIE集成块，实现双缓冲模式的高速PCIE接口设计。
 
    1.2  双缓冲与单缓冲比较

    以写操作（数据从FPGA到内存）为例，双缓冲PCIE系统框图如图1所示。为描述方便，将该FPGA片上系统命名为SRSE（Software Radio System with PCI Express）。
 

图1  双缓冲PCIE系统框图

    PC端的驱动程序在系统内存上为SRSE分配了两个缓冲区（WR_BUF1/2）用于数据存储，这两个缓冲区的地址信息分别存储在FPGA端的DMA寄 存器（DAM_Reg1/2）中。Root Complex连接CPU、内存和PCIE器件，它代表CPU产生传输请求[3];PCIE核是Xilinx公司提供的集成块程序，实现PCIE协议的处 理；DMA（直接存储器访问）引擎用于实现DSP核和PCIE器件间的高速数据存储与交换；DSP（数字信号处理）核是用户设计的算法或应用程序。以图1 为例，DSP核将产生的数据写入TX_FIFO,DMA引擎将数据以传输层数据包（TLP）的形式发送至PCIE核，其中数据包的头信息来自寄存器 DMA_Reg1.当SRSE将数据写入缓冲区WR_BUF1时，驱动分配另外一块缓冲区WR_BUF2并将该缓冲区的地址信息写入寄存器 DMA_Reg2中；当DMA引擎发出WR_BUF1的写操作消息中断（MSI）后，DMA控制器将数据包的头信息切换至DMA_Reg2,驱动将缓冲区 切换至WR_BUF2,继续传输数据。

图2  PCIE总线中断延迟测量

    与双缓冲相对应的是单缓冲模式。以写操作为例，驱动程序每次在内存上分配一个缓冲区WR_BUF,该缓冲区的地址信息存储在DMA寄存器DMA_Reg 中。当写满缓冲区WR_BUF时，DMA引擎会产生MSI中断，并通过PCIE核通知驱动程序。驱动分配新的缓冲区，并将该缓冲区地址通过PCIE总线写 入DMA寄存器DMA_Reg中。中断的传输和DMA寄存器的更新会产生一定延时，这需要较大的TX_FIFO来存取延时期间DSP核产生的数据。
 
    为精确测量中断延时时间，搭建了基于DELL T3400型PC和ML605开发套件的平台，通过ChipScope观察的波形结果如图2所示。DMA中断发生在时刻 0（mwr_done:0?﹥1）；然后PCIE核向驱动发出MSI中断，驱动程序查询中断寄存器发生在时刻 2241（irq_wr_accessed:1?﹥0）；驱动程序分配新的内存缓冲区，然后更新DMA寄存器发生在时刻 2802（wr_dma_buff0_rdy:0?﹥1）。在这2802个时钟周期内，PCIE器件无法将数据写入内存。PCIE的时钟频率为250 MHz,所以中断延时T=2802×（1/250 MHz）=11.2 μs.假定DSP核产生数据的速率为200 MB/s,中断延时期间将产生11.2 μs×200 MB/s=2241 B大小的数据。考虑到其他不可预测因素，如中断堵塞等，为了不丢失数据，TX_FIFO至少需要几KB的空间。这对于FPGA内宝贵的硬件资源（如 Block RAM）来说是严峻的挑战。
 
    与单缓冲模式相比，双缓冲模式优点归纳如下：
 
　　① 更新缓冲区不会引入中断延时，这意味着较小的FIFO即可满足需求，节约了硬件资源。
　　② 双缓冲模式延长了驱动程序处理中断的时间，也使缓冲区数据的处理更加容易，丢包率大大减小。
　　③ 数据的传输和内存缓冲区的数据处理可以并行处理，系统的实时性得到保证。
　　④ 双缓冲更适合Scatter/Gather DMA,取代block DMA,从而提高内存效率。
 
2  软件无线电平台设计

    软件无线电基于可编程、可重构的通用硬件平台，通过加载不同的软件实现不同的无线电功能，广泛应用于军用和民用领域。为了能够实现复杂的算法，其平台需 要具备高速数据交换和实时信号处理的能力。该设计参考Xilinx ML605开发套件，基于Xilinx Virtex 6 LX240T FPGA芯片，通过增加相应的模块搭建通用的软件无线电平台。
 
    软件无线电原理框图如图3所示。信号获取模块采用两片ADC和DAC以实现IQ两路信号的数模转换；通信模块由以太网和USBRS232接口组成；扩展 卡可以是射频发射机或接收机，通过扩展卡接口与母板相连；JTAG接口提供在线编程和内部测试功能；存储器件包括512 MB DDR3内存和128 MB平台Flash,分别用于动态数据存储和配置FPGA;人机接口由LED/LCD、按键和开关等元件组成，实现人机对话；200 MHz有源晶振和SMA时钟接口组成时钟输入模块，向FPGA提供时钟基准；8通道PCIE接口和IP核实现平台与PC间高速数据交换。

图3  软件无线电原理框图

 3  双缓冲模式PCIE总线设计
 
    3.1  PCIE驱动设计

    PC端基于Linux（Ubuntu 10.10）操作系统。该操作系统免费开源，安全稳定灵活，适合低成本软件开发。驱动程序包含数据流接口和控制接口。数据流接口用于Linux用户空间和 SRSE平台间高速的数据交换；控制接口使用户可以观察和配置SRSE平台寄存器，例如通过控制接口，用户可以在PC端改变SRSE平台的调谐频率等参 数。数据流接口是双向独立的，支持双/单工，即可以同时读和写数据。以数据发送（从PC到SRSE）为例，用户空间调用write（）函数将任意数量的数 据发送至驱动，驱动整理数据碎片以满足PCIE对数据对齐和传输块数据量的要求。当数据满足4096字节，驱动将数据块发送至Root Complex并保留已发送数据的列表，等待接收来自SRSE平台的写操作中断。PCIE驱动数据接收的原理如图4所示。当用户空间调用read（）函数 或者驱动接收到来自PCIE设备的数据时，驱动初始化读操作。驱动程序将保持阻塞（blocking），直到用户空间调用read（）函数，并且已接收到 足够的数据包，从而能够填满read（）请求的数据量。碎片整理模块对已接收的数据进行整理，然后将数据块返回至用户空间，并通知其解除驱动阻止。

 图4  PCIE驱动中的数据接收

    3.2  PCIE核配置

    Virtex 6 PCIE Endpoint Block[4]集成了传输层（TL）、数据链路层（DLL）和物理层（PL）协议，它完全符合PCIE基本规范，可配置性增加了设计的灵活性，降低了成 本。其功能框图与接口如图5所示。其中收发器通过PCIE总线与Root Complex实现数据包的传递，PCIE总线由系统接口和PCIE接口组成；系统接口由复位和时钟信号组成，PCIE接口由8条差分传输和接收对组成 （8lane）。TX/RX Block RAM用来存储来自DMA引擎和系统内存的数据，其大小可以通过Xilinx Core Generator配置。传输接口为用户提供了产生和接收TLP的机制；物理层接口使用户能够观测和控制链路的状态；配置接口使用户能够观察和配置 PCIE终端的配置空间，即DMA寄存器；中断接口实现DMA与PCIE核之间的中断传输。用户通过这些接口设计符合其需要的DMA引擎。[page]

 图5  PCIE功能框图与接口

    本文使用Xilinx CORE Generator生成PCIE核，其主要配置参数如表1所列。

表1  PCIE核主要配置参数

     3.3  总线主控DMA传输

    参考Xilinx应用实例XAPP1052[5],本文设计的DMA结构框图如图6所示，各部分功能介绍如下：
 
　　① 发射引擎。发射引擎产生传输层数据包（TLP）并通过传输接口发送至PCIE核，数据包的数据来自TX_FIFO,头信息来自DMA控制/状态寄存器，也负责驱动对DMA寄存器的读取。
　　② 接收引擎。接收引擎将来自上位机的数据包解码并转存至RX_FIFO中，也接收来自驱动的配置信息并将寄存器值写入DMA控制/状态寄存器中。
　　③ DMA控制/状态寄存器。该模块是DMA的主控制器，控制着DMA复位、读写等操作；内存缓冲区的地址信息和TLP包长度等信息也存储在该寄存器中。
　　④ MSI中断控制器。该模块产生读写中断，然后通过中断接口通知PCIE核，进而通知驱动程序。
　　⑤ TX/RX_FIFO.通过Xilinx Core Generator将FIFO配置为独立时钟异步模式，实现不同时钟域的数据缓冲和位宽转换。本文PCIE时钟为250 MHz、位宽64位，而DSP核时钟为200 MHz、位宽32位。
　　⑥ PCIE核。该模块为例化的PCIE集成块，框图和参数详见图5和表1.
　　⑦ DSP核。该模块为用户设计的算法或者功能模块，例如通过Simulink调用Xilinx库实现某种功能。
 

 图6  DMA结构框图

    3.4  双缓冲PCIE协议

    以写操作为例，双缓冲PCIE协议如图7所示。初始化时，驱动程序在内存中分配两块缓冲区Buff 1a/2a,然后将Buff 1a的地址信息写入DMA控制/状态寄存器DMA_Reg1（图1）中并开始写操作；DMA引擎将FIFO中的数据以数据包的形式通过PCIE总线发送至 缓冲区Buff 1a中，期间驱动程序将Buff 2a的地址信息发送至DMA控制/状态寄存器DMA_Reg2中；当Buff 1a写操作完成时，MSI中断控制器产生MSI中断并通知驱动，此时驱动和DMA控制器同时切换缓冲区，即驱动将缓冲区切换至Buff 2a,DMA控制器将TLP头信息切换至DMA_Reg2,如此继续传输数据。

图7  双缓冲PCIE操作协议（写操作）

    将MSI中断与新缓冲区配置间的时间间隔称为中断延时，如图2和图7所示。双缓冲模式的引入消除了中断延时的影响，使SRSE在中断延时期间仍能传输数据，节约了硬件资源，驱动程序也有更多时间来处理缓冲区的数据。
 
4  PCIE调试与性能

    提供了Root Port的Test Bench,它可以模拟PC和驱动程序，如初始化DMA引擎、产生下行数据流并发送至PCIE设备，也可以接收来自PCIE设备的上行数据流等，使整个系 统（PCIE核+DMA引擎+DSP核）可以在Modelsim SE环境下仿真。这大大缩短了开发周期，提高了开发效率。功能仿真通过后，使用Xilinx ISE 软件完成代码的输入、综合、实现、验证和下载。
 
    硬件平台为DELL T3400型PC和Xilinx ML605开发套件。PC端基于Ubuntu 10.10操作系统运行驱动程序，FPGA端DSP核（图6）通过Matlab Simulink调用Xilinx元件库实现。本文DSP核由32位计数器和加法器组成：计数器将值写入TX_FIFO,PC端检测接收数据以验证写操作 （SRSE→PC）；同样地，PC端产生+1计数值并将数据写入RX_FIFO,DSP核的加法器用来验证读操作（PC→SRSE）。
 
结语

    本文设计了基于Xilinx Virtex 6 FPGA的通用软件无线电平台，利用C语言开发了基于Linux系统的驱动程序，利用Verilog语言设计基于Xilinx PCIE硬核的双缓冲DMA控制器。双缓冲消除了中断延时的影响，节约了硬件资源，提高了数据传输速度。