PCI_MT64 IP核的原理和結構設計

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接口的產品，市場上有一些專用PCI接口芯片。FPGA（現場可編程門陣列）技術的快速發(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。設計者可以將PCI用戶邏輯與PCI Core集成在一片FPGA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計的正確與否，這樣可以大幅度提高調試速度、縮短開發(fā)周期、提高電路板的集成度和系統的性能。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)的一個功能強大的CPCI接口內核，最高能實現64位的數據寬度和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總線數據采集卡的應用設計，并通過本地邏輯設計測試了此IP核的功能。

PCI_MT64 IP核的原理和結構

根據用戶性質的不同，CPCI接口類型分為兩種：MASTER（主設備） 和TARGET（從設備）。ALTERA公司據此開發(fā)了多種 PCI IP核：PCI_MT64、PCI_MT32、PCI_T64和PCI_T32。由于設計需要完成66MHz、64位寬度數據傳輸，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。當其寬度為64位、系統時鐘為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的模塊結構

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

PCI側地址/數據緩沖模塊：用來緩存PCI總線側的地址數據輸入、輸出信號。

PCI側主/從模式控制模塊：用于控制PCI總線的主設備和從設備的各種時序操作。

Local側主/從模式控制模塊：用于控制PCI_MT64與本地邏輯的各種操作。

Local側地址/數據/命令/字節(jié)使能模塊：接收和輸出用戶側的所有地址、數據、命令、字節(jié)使能等信號。

奇偶校驗模塊：用于對數據、地址、命令進行奇偶校驗。

PCI_MT64 IP核在CPCI數據采集卡中的應用設計

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

圖2 CPCI本地端邏輯設計

以上設計能快速評估PCI IP核的功能，當PCI_MT64作為一個主設備，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PCI_MT64作為一個從設備，它觸發(fā)從模式控制邏輯來執(zhí)行一次從模式傳輸。CPCI數據采集卡使用DMA方式上傳數據，即將數據采集模塊的數據處理后，緩存到FIFO，從FIFO中傳輸數據到上位機；使用從模式寫傳輸發(fā)送控制命令到板卡不同寄存器。當進行一次從模式傳輸時，PCI IP核不能啟動總線操作，只能依賴于主設備從其中讀取數據或向其傳送數據，相關設計較為簡單，而DMA模式是PCI_MT64配合自主設計的DMA控制器來實現的，所以DMA控制器是整個設計的關鍵。

DMA控制器由DMA寄存器和DMA狀態(tài)機兩個模塊構成。DMA寄存器是主機控制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PCI IP核中的配置寄存器Bar0。主機通過設置在存儲器地址空間的DMA寄存器來控制DMA傳輸。DMA狀態(tài)機是控制主模式寫傳輸的核心，產生主模式傳輸需求的各種信號。狀態(tài)跳轉條件來自DMA寄存器，IP核以及DMA FIFO。狀態(tài)機流程圖如圖3所示。

圖3 DMA狀態(tài)機

以鏈式DMA傳輸為例介紹其流程：主機首先把多組字節(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，開始鏈式的數據傳輸。狀態(tài)機跳入裝載DMA狀態(tài)，通過對DMA FIFO的讀取將需要的值寫入寄存器中，經寄存器有效狀態(tài)進入等待請求狀態(tài)。當外部FIFO數據準備好，DMA狀態(tài)機向主機發(fā)送總線請求信號，并等待主機的總線允許信號，此時狀態(tài)機進入等待允許狀態(tài)；一旦接收到主機的總線允許信號，整個DMA傳輸開始，狀態(tài)機也進入數據傳輸狀態(tài)。在數據傳輸周期中，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)機并不進入結束狀態(tài)，而是直接進入空閑狀態(tài)，開始下一次描述符的傳輸，所以不產生中斷。等到DMA FIFO為空的時候，狀態(tài)機認為本次鏈式DMA傳輸完成，進入到結束狀態(tài)，此時產生中斷，一次鏈式DMA傳輸結束。

實驗調試及分析

PCI_MT64 IP核在CPCI數據采集卡中的應用主要是完成數據的高速傳輸，包括從模式寫傳輸方式的數據下傳（控制命令）和DMA方式的數據上傳（采集卡數據）。在QuartusII9.0環(huán)境下，運用Megacore PCI Complier對PCI_MT64進行設置，并對CPCI本地端邏輯進行了綜合編譯，生成網表文件，運用Testbench工具對從模式寫傳輸方式進行仿真，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，FRAME#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，數據由pci_ad傳給l_dato，這里寫入的數據是66666666H。由仿真圖可以看到，pci_ad和l_dato的數據是一樣的，所以從模式單周期寫傳輸正確。單周期讀寫適合少量數據傳輸，不同寄存器控制命令的發(fā)送及DMA寄存器的設置都是通過從模式下單周期讀寫實現的。

為測試PCI_MT64 IP核的本地端邏輯設計，調用基于Windriver編寫的驅動程序和用戶界面實現數據的傳輸。這樣，既驗證了CPCI數據采集卡硬件邏輯的正確性，又驗證了軟件的正確性。其測試結果如圖5所示。

圖5 應用軟件測試界面

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

結束語

PCI_MT64 IP核能有效的滿足CPCI數據采集卡對數據高速傳輸的要求，實現CPCI接口功能，并能與用戶邏輯配合工作，實現數據的緩存和傳輸。相較于使用PCI專用芯片實現接口功能的方法，本設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。

電子科技大學自動化工程學院 王俊麗 王志剛