基于PCIE/104總線的高速數(shù)據(jù)接口設(shè)計

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　　PCIE總線是由Intel公司提出用來取代現(xiàn)行PCI總線的下一代總線技術(shù)，被公認為未來總線的發(fā)展方向，目前已經(jīng)成功應(yīng)用在了商業(yè)機上。相對于目前流行的PCI總線，它具有如下特點：

　　采用了串行點對點模式，數(shù)據(jù)總線從并行走回向串行無疑是一個趨勢，如現(xiàn)在流行的SATA總線、PCIE總線和rapidIO總線都是串行總線?，F(xiàn)在串行總線在速度上的優(yōu)勢可以說是毋庸置疑的。PCIE總線在每個方向上都有X1，X2，X4，X8，X16或X32個信號對，用戶可根據(jù)不同的需求采用不同的配置。同時串行信號還具有管教更少，便于調(diào)試的優(yōu)點。

　　PCIE采用了基于數(shù)據(jù)包的協(xié)議來編碼事物，而不是PCI體系結(jié)構(gòu)的總線周期。數(shù)據(jù)包被串行發(fā)送和接受，并被字節(jié)拆分來通過物理鏈路。鏈路上實現(xiàn)的通道越多，數(shù)據(jù)包發(fā)送的數(shù)據(jù)越快，鏈路的帶寬也越寬。同時PCIE還定義了各種類型的數(shù)據(jù)包，如存儲器讀/寫請求、I/O讀/寫請求、配置讀/寫請求、消息請求和完成數(shù)據(jù)包等。

　　PC/104標準是一種嵌入式的總線標準，具有功耗低，尺寸小，堆棧式結(jié)構(gòu)的特點。隨著目前各種應(yīng)用數(shù)據(jù)傳輸量的增大，現(xiàn)行的PCI總線在帶寬方面已經(jīng)略顯疲態(tài)，而新近瑞士邏輯提出的PC/104 Express標準，使得PCIE總線技術(shù)被成功地應(yīng)用在了PC/104標準的板卡上。本文采用了PLX公司的PEX8311橋接芯片，完成了PCIE到局部總線接口的轉(zhuǎn)換，應(yīng)用PLX公司提供的開發(fā)工具在Linux操作系統(tǒng)下實現(xiàn)了板卡的驅(qū)動應(yīng)用。在軟硬件兩方面進行了設(shè)計，完成了PCIE/104板卡的功能，升級了系統(tǒng)的總線。

　　1 PCIE/104高速信號接口卡的系統(tǒng)

　　PCIE/104高速信號接口卡的系統(tǒng)設(shè)計方案如圖1所示。

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　　外部傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過LVDS，RS 422等電平方式，以固定的不同串口波特率傳到FPGA內(nèi)部集成的各自對應(yīng)的雙口RAM中。當(dāng)寫入了固定字節(jié)后，設(shè)定標志位stage為1，同時發(fā)出中斷信號LINT#給PEX8311。PEX8311產(chǎn)生了assert_INT1信息，并通過PCIE接口發(fā)給上位機。上位機保存好現(xiàn)在的任務(wù)后，通過PCIE開始發(fā)出存儲器讀命令給PEX8311。PEX8311獲得命令后，向FPGA發(fā)出本地總線申請信號，F(xiàn)PGA作為本地端的控制器將本地總線控制權(quán)交給PEX8311。PEX8311開始讀數(shù)據(jù)，首先要進行的是讀取標志位，在讀取了標志位后，上位機就知道是哪幾路串口信號需要讀入。然后，把標志位清掉，這樣相當(dāng)于清掉了中斷信號。接著，中斷服務(wù)程序在進入到各個串口的RAM中，來讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)。在多路串口信號傳輸過來時，針對該系統(tǒng)，采用的是優(yōu)先滿足高速串口的原則，也就是采用高速串口的標志位作為中斷信號，每次產(chǎn)生中斷后查詢其他標志位。數(shù)據(jù)到上位機后待處理。該系統(tǒng)目前實現(xiàn)的是兩路串口，而多路串口原理相同。

　　1.1 硬件總體概述

　　主要包括以下幾部分，PEX8311橋接芯片負責(zé)完成本地總線和PCIE總線的相互裝換;FPGA選用了spartan-3an 1400K。這里在內(nèi)部實現(xiàn)了3個模塊，首先完成雙口RAM模塊;其次完成了多路串口數(shù)據(jù)的接受與協(xié)調(diào)模塊;最后還要實現(xiàn)PEX8311芯片本地端控制器模塊。

　　1.1.1 PEX8311芯片介紹

　　PEX8311是PLX Technology公司推出的一款專用于將DSP，F(xiàn)PGA等處理器總線接口升級為PCIE的橋接器件。利用PEX8311靈活的局部總線可以方便地連接多種存儲器、緩存器及。FPGA，DSP等邏輯芯片，使復(fù)雜的PCI-E接口設(shè)計簡單化。PEX8311兼容PCI Express 1.0標準，其本地總線和寄存器與PCI9056兼容，能夠提供完整的本地總線到PCI-E的接口，包括地址轉(zhuǎn)換、包生成與解碼、信號中斷支持及并/串轉(zhuǎn)換等。

　　PEX8311的特點如下：

　　(1)集成了單通道、全雙工2.5 Gb/s傳輸?shù)腜CI Express端口;

　　(2)可配置局部總線寬度，支持8位、16位和32位的總線方式;

　　(3)支持單路和多路總線操作模式;

　　(4)高性能的DMA數(shù)據(jù)傳輸，支持數(shù)據(jù)塊模式、集散模式、循環(huán)隊列管理模式和命令模式;

　　(5)支持端點和根復(fù)合體模式;

　　(6)芯片小型封裝，適合緊湊的電路板設(shè)計;

　　(7)芯片低功耗設(shè)計;

　　(8)3.3 V的I/O并兼容5 V系統(tǒng);

　　(9)啟動配置的串行E2PROM支持(SPI和Microwire接口);

　　(10)有8 KB的通配共享RAM。

　　PEX8311的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

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