基于FPGA的PCIe總線接口的DMA控制器的實現(xiàn)并進(jìn)行仿真驗證

隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，對數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的速度與數(shù)據(jù)傳送質(zhì)量的要求也在不斷提高。由Intel在2001年提出的第三代I/O總線技術(shù)——PCI Express總線技術(shù)，采用高速差分串行的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，具有高帶寬、高可靠性、高拓展性等優(yōu)點，很好地彌補了PCI、PCI-X總線的不足。

本文基于PCIe 2.0協(xié)議，利用Altera Transceiver PHY IP、Synopsys PCIe Core IP和AXI總線，提出了一種DMA控制器，并搭建了一個在FPGA端和PC之間的高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。實現(xiàn)了寄存器讀寫操作（單字讀寫）和DMA讀寫操作，并利用Synopsys VIP環(huán)境下進(jìn)行的系統(tǒng)仿真和上位機軟件進(jìn)行觀察并驗證了數(shù)據(jù)讀寫的正確性。

1.1 基礎(chǔ)模塊

1.1.1 Altera Stratix V GX系列FPGA與PCIe PHY IP

本設(shè)計使用Stratix V GX系列下的5SGXEA7K2F40C2N FPGA芯片，該芯片內(nèi)部集成了PCIe PHY IP硬核模塊。PCIe PHY IP硬核包括三個部分，如圖1，PHY IP Core for PCI Express（PIPE）集成了PCIe總線的物理層。Transceiver Reconfiguration Controller IP Core可以動態(tài)重新配置模擬參數(shù)。Transceiver PHY Reset Controller IP Core作為收發(fā)器的復(fù)位模塊，確保了PCIe鏈路的初始化。

1.1.2 Synopsys IP與VIP

VIP顧名思義就是驗證IP（Verification IP），它為一些標(biāo)準(zhǔn)的接口提供標(biāo)準(zhǔn)的總線行為模型。Synopsys公司提供了PCIe總線的Controller IP，實現(xiàn)了PCIe總線數(shù)據(jù)鏈路層和事務(wù)層的功能，并內(nèi)置了DMA，同時也提供了針對PCIe總線的VIP，為PCIe總線提供了標(biāo)準(zhǔn)的總線行為模型，模擬了上位機的功能^[8]。

1.1.3 AXI總線

AXI（Advanced eXtensible Interface）總線是一種高性能、高帶寬、低延遲的總線協(xié)議，有一個顯著的特點，地址/控制和數(shù)據(jù)通道是分開的，共有5個單向通道，分別為read address channel，write address channel，read data channel，write data channel，write response channel^[9]，減少了延時，提高了DMA的效率。

1.2 總體方案設(shè)計

本設(shè)計采用的整體架構(gòu)如圖2所示，為Altera PHY IP+Synopsys PCIe Core IP+AXI總線+Application。

為了利用Synopsys 的PCIe VIP環(huán)境，采用了Synopsys PCIe Core IP。在PCIe事務(wù)層和應(yīng)用側(cè)之間采用了AXI總線接口，可以在以后的設(shè)計中進(jìn)行方便的拓展和替換。應(yīng)用側(cè)設(shè)計實現(xiàn)了PCIe DMA控制器的功能，并集成了兩塊RAM，一塊大小為128 DW，用來存儲寄存器讀寫的數(shù)據(jù)；另一塊大小為512 DW，用來存儲DMA讀寫的數(shù)據(jù)。

2.1 應(yīng)用端DMA操作流程

應(yīng)用端發(fā)起的DMA操作流程如圖3所示，最終DMA讀操作實現(xiàn)的結(jié)果為將主機側(cè)的數(shù)據(jù)以DMA的方式寫入到應(yīng)用端的內(nèi)存中。DMA寫操作實現(xiàn)的結(jié)果為將應(yīng)用端的數(shù)據(jù)以DMA的方式寫入到主機側(cè)的內(nèi)存中。圖3為應(yīng)用端發(fā)起的DMA操作具體的流程。

(1)主機側(cè)通過寄存器寫的方式，將DMA讀寫標(biāo)志、DMA長度、DMA源和目的內(nèi)存地址寫入到應(yīng)用端的寄存器中；

(2)應(yīng)用端中的Slave模塊將這些命令發(fā)送給Master模塊；

(3)Master模塊按照Synopsys PCIe Core IP自定義的Dbi總線的方式，再將這些命令傳送給PCIe Core IP內(nèi)部的寄存器；

(4)PCIe Core IP接收DMA讀寫指令，并持續(xù)操作Master接口以實現(xiàn)后續(xù)操作；

(5)當(dāng)為DMA讀時，PCIe Core IP的內(nèi)置DMA從主機側(cè)的“源內(nèi)存地址”中讀取到目標(biāo)數(shù)據(jù)；當(dāng)為DMA寫時，PCIe Core IP的Master接口通過AXI總線以讀的方式從“源內(nèi)存地址”讀取到目標(biāo)數(shù)據(jù)；

(6)當(dāng)為DMA讀時，PCIe Core IP的Master獲得DMA讀取到的目標(biāo)數(shù)據(jù)，并通過AXI總線，以寫的方式寫入到應(yīng)用端的“目的內(nèi)存地址”中；當(dāng)為DMA寫時，Master獲得目標(biāo)數(shù)據(jù)后，內(nèi)置DMA將數(shù)據(jù)發(fā)送到主機側(cè)的“目的內(nèi)存地址”中；

(7)當(dāng)DMA操作完成，PCIe Core IP會通知應(yīng)用端的中斷模塊；

(8)應(yīng)用端的中斷模塊會向主機側(cè)提交中斷。

2.2 應(yīng)用端DMA控制狀態(tài)機

應(yīng)用端只需將主機側(cè)寫入的DMA讀寫標(biāo)志、DMA長度、DMA源和目的內(nèi)存地址以及DMA啟動信號寫入到PCIe Core IP中的內(nèi)部寄存器，并等待DMA操作的完成，給出中斷信號。

下面為應(yīng)用端詳細(xì)的DMA控制狀態(tài)機，如圖4所示，狀態(tài)機把DMA讀操作和DMA寫操作整合到了一起，減少了代碼量。

(1)IDLEPHASE：空閑狀態(tài)。當(dāng)啟動信號start_flag有效時，跳轉(zhuǎn)ENGINE_ENABLE狀態(tài)；

(2)ENGINE_ENABLE：判斷DMA讀寫類型信號wr_rdn_flg，當(dāng)wr_rdn_flg為0，即為DMA讀(PC到FPGA)時，使能DMA讀引擎；當(dāng)wr_rdn_flg為1，即為DMA寫(FPGA到PC)時，使能DMA寫引擎；

(3)DMA_TRANS_SIZE：設(shè)置DMA數(shù)據(jù)傳輸長度，最多一次傳輸512 DW，最少一次傳輸1 DW；

(4)DMA_SAR：設(shè)置DMA操作源地址(當(dāng)為DMA讀時，源地址為主機端地址；當(dāng)為DMA寫時，源地址為應(yīng)用端地址)；

(5)DMA_DAR：設(shè)置DMA操作目的地址（當(dāng)為DMA讀時，目的地址為應(yīng)用端地址；當(dāng)為DMA寫時，目的地址為主機端地址）；

(6)DMA_DOORBELL：使能DMA操作門鈴信號dma_strt，啟動DMA操作；

(7)DMA_WAIT_INT：等待DMA操作完成；

(8)DMA_INT_STATUS：讀取DMA操作中斷寄存器狀態(tài)，當(dāng)DMA操作完成信號dma_done有效時，產(chǎn)生完成中斷，并跳轉(zhuǎn)DMA_CLEAR_INT狀態(tài)；

(9)DMA_CLEAR_INT：清除中斷，回到IDLEPHASE狀態(tài)，準(zhǔn)備下一次DMA傳輸。

3.1 仿真驗證

在完成代碼編寫之后，在VIP環(huán)境下搭建仿真平臺，使用Synopsys公司的仿真驗證工具VCS進(jìn)行功能測試，主要測試驗證模塊能否正確對寄存器讀寫和DMA讀寫產(chǎn)生正確的反應(yīng)。

從圖5、圖6中可以看到，寫地址偏移為0x40，寫數(shù)據(jù)為32’h87654321；讀地址偏移為0x40，讀數(shù)據(jù)為32’h87654321，由此可判斷寄存器讀寫正確。

如圖7所示，由dma_strt和dma_done信號可以看出為2次DMA傳輸，由dma_wr_rdn可看出第一次為DMA讀操作（RC端到APP側(cè)），第二次為DMA寫操作（APP側(cè)到RC端）由dma_bc_len可看出當(dāng)前DMA操作長度為2 000 Byte，即500 DW，slv_rdata和slv_wdata信號較為密集的部分分別為2次DMA操作的數(shù)據(jù)，對比這兩次數(shù)據(jù)，得知DMA操作正確。

為了更加方便地比較結(jié)果，采取自動對比文件的方法，即把寄存器或DMA寫的數(shù)據(jù)存放到一個文件中，再把寄存器或DMA讀回的數(shù)據(jù)存放到另一個文件中，通過對比兩個文件，判斷寄存器和DMA傳輸是正確的。

3.2 FPGA測試驗證

在仿真驗證完成之后，進(jìn)行FPGA測試驗證，將硬件部分燒錄到板卡的FPGA芯片后，通過板卡的PCIe金手指插入到PC機的主板上，PC機重啟后檢測到PCIe硬件的插入，即可安裝對應(yīng)的PCIe驅(qū)動軟件，利用上位機進(jìn)行測試。

上位機軟件界面如圖8所示，包括寄存器讀寫（Target操作）和DMA讀寫（Master操作）測試模塊。

選擇“Target”操作的“dual”模式，寄存器長度設(shè)置為118，因為前10個寄存器與DMA操作相關(guān)，可能會觸發(fā)DMA操作，所以在軟件中選擇跳過。點擊“啟動測試”，數(shù)據(jù)將會被先從主機側(cè)寫到FPGA，再從FPGA讀回到主機側(cè)，比較兩次寄存器操作的數(shù)據(jù)，即可判斷寄存器操作的正確性。

如圖9所示，選擇“Master”操作的“dual”模式，點擊“memory”，即在PC側(cè)開辟一塊內(nèi)存存放數(shù)據(jù)，然后點擊“啟動測試”，數(shù)據(jù)先從PC寫到FPGA的RAM中，接著再從FPGA回到PC，比較存放到PC內(nèi)存的數(shù)據(jù)和從FPGA寫回到PC的數(shù)據(jù)，即可判斷DMA讀寫操作的正確性。

根據(jù)DMA傳輸固定大小的數(shù)據(jù)的時間，可以計算出DMA讀寫速率，經(jīng)過多次測試，DMA讀寫速率分別為1 547 MB/s和1 607 MB/s。本設(shè)計采用的是PCIe Gen2、×4通道，理論最大傳輸速率為2 000 MB/s。分析代碼得出可能由于應(yīng)用端向PCIe Core IP寫入和讀取數(shù)據(jù)過程占用了一定的時間，另外驅(qū)動程序向DMA寄存器寫入或讀取參數(shù)也占用了一些時間，都會影響速率。

本文實現(xiàn)的基于FPGA的PCIe總線接口的DMA控制器是在Altera PHY IP和Synopsys Core IP的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的，利用Synopsys VIP驗證環(huán)境進(jìn)行了功能仿真驗證，并通過FPGA進(jìn)行了系統(tǒng)實測，達(dá)到了較高的傳輸速率，在Gen2、×4模式下，DMA讀寫操作的帶寬分別為 1 547 MB/s和1 607 MB/s，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)。