基于FAS466存儲系統(tǒng)的DMA控制器設(shè)計(jì)

　　隨著光電子信息技術(shù)的迅速發(fā)展 ， 直接把光學(xué)信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像已經(jīng)成為發(fā)展趨勢 ，機(jī)載CCD相機(jī)是基于數(shù)字相機(jī)的基本原理 ，將圖像以數(shù)字信息的形式存儲、轉(zhuǎn)移，并與地面實(shí)現(xiàn)通信。由于大面陣 CCD 機(jī)載相機(jī)的圖像數(shù)據(jù)量非常巨大 而且圖像輸出速率也比較高 ，所以高速圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)記錄是一個(gè)急需解決的問題。大面陣CCD 相機(jī)的數(shù)字視頻存儲的一般方案是基于高性能計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，把 PCI總線的視頻采集卡與高性能 IDE硬盤系統(tǒng)或基于 PCI SCSI橋的 SCSI存儲硬盤系統(tǒng)結(jié)合起來完成任務(wù)。這種方案實(shí)現(xiàn)起來比較容 ，但存在總線瓶頸問題，一次存儲占用兩次PCI總線 ，而且還受到操作系統(tǒng)和文件系統(tǒng)的限制 ，所以在實(shí)際應(yīng)用中存儲速度很難突破 40MB /S。另外基于 PC I總線的存儲方式基于計(jì)算機(jī)平臺，占用體積比較大。針對這一問題，設(shè)計(jì)出脫離計(jì)算機(jī)平臺基于 SCSI總線的圖像數(shù)據(jù)存儲方式，這種存儲方式存儲速度快，占用體積小，適合于機(jī)載相機(jī)。

　　1 CCD相機(jī)圖像存儲系統(tǒng)

　　基于SCSI總線的CCD相機(jī)圖像存儲系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)源、DMA控制器、外部微處理器、FAS466協(xié)議處理器及 SC圖如圖1

　　存儲系統(tǒng)各部分功能如下 ：

　?。?） 外部微處理器

　　主要負(fù)責(zé)對各個(gè)模塊進(jìn)行協(xié)調(diào)和控制。完成與CCD相機(jī)圖像數(shù)據(jù)的傳輸起始、結(jié)束控制 ; 對FAS466的初始化操作 ， 對傳輸?shù)漠惓Ｇ闆r進(jìn)行中斷處理 ; 在本系統(tǒng)中 ， 采用 FPGA芯片實(shí)現(xiàn)外部微處理器功能。

　?。?） DMA控制器

　　控制 FIFO與 SCSI協(xié)議處理器內(nèi)部緩沖器之間的數(shù)據(jù)傳送 ，這樣通過與協(xié)議處理器的 DMA接口相協(xié)調(diào)以控制數(shù)據(jù)源與 SCSI總線間的數(shù)據(jù)傳送。本設(shè)計(jì)采用 FPGA器件實(shí)現(xiàn) DMA 控制器 ， 而不用專用的 DMA 控制器 ，主要考慮以下一些因素 ：本設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)傳輸速率比較高，一般的專用 DMA控制器難以勝任 ; 專用的 DMA 控制器與 FAS466之間的連接需要大量的邏輯轉(zhuǎn)換電路和外圍連線、使設(shè)計(jì)難度加大。使用 FPGA 器件 ，除了完成DMA控制器的功能之外 ， 還可以把電路中的譯碼、邏輯轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)復(fù)位等模塊設(shè)計(jì)進(jìn)去 ， 減小了設(shè)備的體積 ，方便了以后對系統(tǒng)的升級和改進(jìn)。

　?。?） SCSI協(xié)議處理器—FAS466

　　SCSI協(xié)議處理器是SCSI總線操作的執(zhí)行部件。它可提供 Fast40的同步傳輸速率，它的同步數(shù)據(jù)寬總線傳輸速率可達(dá) 80MB /S。FAS466區(qū)別于其它 SCSI協(xié)議處理器的最大特點(diǎn)是它采用微處理器和 DMA接口結(jié)構(gòu) 而常見的 SCSI協(xié)議控制器采用 PCI接口總線結(jié)構(gòu)，這是本設(shè)計(jì)采用 FAS466的一個(gè)主要原因。采用微處理器和 DMA 接口結(jié)構(gòu) ，可以通過外部微處理器對傳輸進(jìn)行控制 ， 脫離微機(jī)平臺 ，減少傳輸帶寬限制，使數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)具有非常好的靈活性和可移植性。FAS466 由 SCSI控制器、微控制器、DMA 接口和微處理器接口四個(gè)模塊組成。圖 2為 FAS466的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

　　2 DMA控制器設(shè)計(jì)

　　本系的軟件計(jì)分為外部微處理對FAS466的初始化及 DMA 控制器的軟件設(shè)計(jì)兩部分 ， 這兩部分都通過對 FPGA芯片編程實(shí)現(xiàn) ， 本文將重點(diǎn)介紹一下 DMA控制器的軟件設(shè)計(jì)。FAS466外部 DMA控制器利用 Verilog HDL語言對 FPGA 芯片編程實(shí)現(xiàn)。FAS466通過置 DREQ信號 有效請求數(shù)據(jù)傳輸 ;DMA控制器檢測到DREQ有效并且外部 FIFO非空 ，則使 DACK有效并通知 FAS466開始 DMA傳輸。DMA控制器的狀態(tài)機(jī)如圖 3所示。

　　以下是實(shí)現(xiàn)DMA控制器的數(shù)據(jù)傳輸控制程序代碼 ：

　　always（posedge clock）

　　begin

　　if （RESET） begin

　　DMA state 《 = sIdle;

　　RE 《 = 1; W E 《 = 1; DBOE 《 = 1;

　　end

　　else if （DMAEnabled）

　　begin

　　case （DMA state）

　　sIdle： begin

　　/ /如果 DREQ有效 ， 則進(jìn)入等待狀態(tài) ;

　　if （DREQ） begin

　　DACK 《 = 1;

　　DMA state 《 = #1 sDACKDelay;

　　RE 《 = 1; W E 《 = 1; DBOE 《 = 1;

　　end

　　else begin

　　DACK 《 = 0;

　　DMA state 《 = #1 sIdle;

　　RE 《 = 1; W E 《 = 1; DBOE 《 = 1;

　　end

　　end

　　sDACKDelay： begin

　　/ /如果 DREQ無效 ， 則返回空閑狀態(tài) ;

　　if （

　　～

　　DREQ） begin

　　DACK 《 = 0;

　　DMA state 《 = #1 sIdle;

　　end

　　/ /如果 DREQ有效 ， FF_ FE無效 ， 則進(jìn)入數(shù)據(jù)傳

　　輸狀態(tài) ;

　　else if （

　　～

　　FF_ FE） begin

　　DACK 《 = 1;

　　DMA state 《 = #1 sDataXfer;

　　RE 《 = 1; W E 《 = 0; DBOE 《 = 0;

　　end

　　else begin

　　DMA state 《 = #1 sDACKDelay;

　　RE 《 = 1; W E 《 = 1; DBOE 《 = 1;

　　end

　　end

　　sDataXfer： begin

　　/ /如果 DREQ無效 ， 則完成傳輸進(jìn)入空閑狀態(tài) ;

　　if （

　　～

　　DREQ） begin

　　DACK 《 = 0;

　　DMA state 《 = #1 sIdle;

　　RE 《 = 1; W E 《 = 1; DBOE 《 = 1;

　　end

　　/ /如果 DREQ有效 ， AF_ AE有效 ， 則進(jìn)入等待狀

　　態(tài) ;

　　else if （AF_ AE） begin

　　DACK 《 = 1;

　　DMA state 《 = #1 sDACKDelay;

　　RE 《 = 1; W E 《 = 1; DBOE 《 = 1;

　　end

　　else begin

　　DMA state 《 = #1 sDataXfer;

　　RE 《 = 1; WE 《 = 0; DBOE 《 = 0;

　　end

　　end

　　default：

　　DMA state 《 = #1 sIdle;

　　endcase

　　end

　　end

　　上面程序經(jīng) ISE軟件仿真，仿真波形如圖4所示。

　　3 結(jié)論

　　本文介紹了高速、大面陣CCD相機(jī)存儲系統(tǒng)的DMA控制器設(shè)計(jì)。運(yùn)用Verilog HDL語言對 FP2GA編程實(shí)現(xiàn) DMA 控制器功能。文中給出了它的軟件程序及仿真波形。仿真結(jié)果表明為利用 FPGA芯片能夠代替專門的DMA控制器完成DMA 控制功能。FPGA的運(yùn)用使設(shè)計(jì)更加靈活 ，傳輸性能更好及反應(yīng)時(shí)間更快 ，而且減小了存儲設(shè)備的體積。