張 峰,李燕斌

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所, 成都610036)

1 引 言

寬帶數(shù)傳通常用于空地或空空的實(shí)時(shí)預(yù)警監(jiān)視圖像信息傳輸,目前的ISR 圖像正朝著高幀頻、高分辨率方向發(fā)展,這種海量數(shù)據(jù)是否能夠高速傳輸,逐漸成為限制寬帶數(shù)傳終端發(fā)展的瓶頸。傳統(tǒng)數(shù)傳終端采用PCI 專用芯片(PCI9054、PCI9656 等)實(shí)現(xiàn)PCI協(xié)議[1-3],這種實(shí)現(xiàn)方式存在傳輸速度低、配置靈活性差等缺點(diǎn)。針對(duì)這些缺點(diǎn),本文通過(guò)VHDL 語(yǔ)言在FPGA 內(nèi)實(shí)現(xiàn)PCI/PCIX 總線協(xié)議,實(shí)現(xiàn)了寬帶數(shù)據(jù)高速傳輸。PCI/PCIX 總線采用66 M/64 bit模式,突發(fā)長(zhǎng)度為 512 byte, 利用率可達(dá) 80%, 即420 Mbyte/s,實(shí)驗(yàn)表明,此通信方式穩(wěn)定可靠,且易于擴(kuò)展,是寬帶高速數(shù)傳終端的一種理想選擇。

2 PCI/PCIX 協(xié)議簡(jiǎn)析

PCI 總線標(biāo)準(zhǔn)于1993 年首次提出,版本幾經(jīng)更新,帶寬 由33 M/32 bit 發(fā) 展到66 M/64 bit 后, 升 至PCIX 標(biāo)準(zhǔn)的133 M/64 bit模式。PCI/PCIX 總線可同時(shí)支持多個(gè)功能模塊,并不受限于處理器結(jié)構(gòu),可作為處理器和高速外圍功能模塊的橋梁。

PCI/PCIX 總線可采用5 V或3.3 V兩種供電環(huán)境,但不能混合使用。其信號(hào)線為CMOS 電平,靜態(tài)電流小,可考慮在FPGA 內(nèi)直接實(shí)現(xiàn)PCI/PCIX 的IP核,相對(duì)于采用PCI9054 等芯片方式,采用IP 核的方式能夠減少PCB 布板面積,降低工程成本,簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)流向,且具有易于升級(jí)、擴(kuò)展等功能。

3 基于FPGA 實(shí)現(xiàn)PCI/PCIX 總線IP 核

寬帶數(shù)傳終端模塊硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。模塊可認(rèn)為由采集子單元和主控子單元構(gòu)成。采集子單元主要由FPGA 及其相連的外圍芯片組成,CCD相機(jī)數(shù)據(jù)通過(guò)Cameralink 接口進(jìn)入到FPGA,由FPGA 完成對(duì)相機(jī)數(shù)據(jù)的采集,并通過(guò)SDRAM 乒乓緩存,緩存后的數(shù)據(jù)通過(guò)PCI/PCI 總線與主控子單元相連。主控子單元主要由PowerPC 及其相連的外圍芯片組成,內(nèi)存由512 Mbyte的DDR 存儲(chǔ)器組成,外置Flash 芯片用于存儲(chǔ)操作系統(tǒng)信息,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)物理層芯片實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)通信功能,用于與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,主控單元作為PCI/PCIX 總線的主設(shè)備,通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信,與作為從設(shè)備的FPGA 相連。

圖1 基于PCI/PCI 總線的寬帶數(shù)傳框圖Fig.1 The wideband data transport structure based on PCI/PCIX

寬帶數(shù)傳終端模塊軟件主要涉及在FPGA 內(nèi)實(shí)現(xiàn)PCI/PCIX 協(xié)議,利用中斷和主控單元實(shí)現(xiàn)基于PCI/PCIX 的數(shù)據(jù)交互。PowerPC 加載操作系統(tǒng)及PCI 設(shè)備驅(qū)動(dòng),實(shí)現(xiàn)PCI/PCIX 數(shù)據(jù)交互。其關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)在于如何在FPGA 內(nèi)通過(guò)VHDL 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)PCI/PCIX 協(xié)議及在PowerPC440 下Linux 操作系統(tǒng)的移植。

根據(jù)PCI/PCIX 協(xié)議,在FPGA 內(nèi)實(shí)現(xiàn)此IP 核,可考慮將PCI/PCIX IP 核劃分為6 個(gè)單元,即PCI I/O 接口單元、極性產(chǎn)生/判別單元、發(fā)送單元、接收單元、配置空間單元和用戶應(yīng)用接口,如圖2 所示。

圖2 PCI/PCIX 結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 PCI/PCIX IP core structure

PCI I/O 接口模塊用于PCI/PCIX IP 核的對(duì)外接口信號(hào),通常通過(guò)“金手指”與PCI 插槽相連。

極性產(chǎn)生/判別模塊對(duì)地址數(shù)據(jù)AD 信號(hào),字節(jié)使能CBE 信號(hào)R 進(jìn)行奇偶校驗(yàn),并通過(guò)PERR 信號(hào)和SERR 信號(hào)上報(bào)結(jié)果。

發(fā)送模塊根據(jù)用戶應(yīng)用需要產(chǎn)生發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)機(jī),發(fā)送PCI/PCIX 數(shù)據(jù), 支持的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)方式有PIO 32 位、PIO 64 位以及突發(fā)32 位、突發(fā)64 位。

接收模塊根據(jù)用戶應(yīng)用需要產(chǎn)生接收數(shù)據(jù)狀態(tài)機(jī),接收PCI/PCIX 數(shù)據(jù)。

配置空間模塊用于配置PCI/PCIX 配置空間中的3 個(gè)基址寄存器、命令/狀態(tài)寄存器、中斷線以及Device ID 和Vendor ID 等。

用戶應(yīng)用接口是PCI/PCIX 總線IP 核最重要的邏輯接口,它控制發(fā)送狀態(tài)機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù),并對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷,同時(shí)對(duì)中斷進(jìn)行控制和處理等。

實(shí)際工程中,將配置空間中的Device ID 和Vendor ID 分別設(shè)置為0x1000、0x10ee,以在PowerPC440加載操作系統(tǒng)時(shí)加以探測(cè)并區(qū)分。將基址寄存器0配置為I/O 空間,256 byte大小,并使能BAR0。BAR2配置為Memory 空間,64 Mbyte,64 bit寬?；芳拇嫫? 映射為64 Mbyte空間,是根據(jù)FPGA 外接的64 Mbyte 的SDRAM 的尋址范圍確定的,如圖1 所示。

在用戶應(yīng)用接口,配置PCI/PCIX IP 核為64 bit突發(fā)寫(xiě)模式,FPGA 發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸, 將數(shù)據(jù)寫(xiě)入到PCI 的基址寄存器BAR2,寫(xiě)完64 Mbyte數(shù)據(jù),產(chǎn)生中斷信號(hào),通知處理器PowerPC440 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。中斷信號(hào)由FPGA 產(chǎn)生,通過(guò)INTA 信號(hào)接口,連接到PowerPC440 的中斷控制器上。

4 PowerPC440 加載PCI/PCIX 驅(qū)動(dòng)

本文選擇在PowerPC440 處理器上運(yùn)行Linux 操作系統(tǒng)[4]。

嵌入式Linux 操作系統(tǒng)的移植分為四步:第一步,做嵌入式處理器的引導(dǎo)程序bootloader,這一部分相當(dāng)于PC 機(jī)的BIOS,即需要嵌入式處理器完成一個(gè)上電自啟動(dòng);第二步,裁減Linux 內(nèi)核,需要嵌入式處理器自啟動(dòng)后加載定制的Linux 內(nèi)核,將PCI 編譯成內(nèi)核的一個(gè)模塊;第三步,建立文件系統(tǒng),Linux 通過(guò)文件系統(tǒng)對(duì)文件及設(shè)備進(jìn)行管理,需要文件系統(tǒng)對(duì)PCI 進(jìn)行管理、控制;第四步,編寫(xiě)應(yīng)用層程序,通過(guò)應(yīng)用層程序,發(fā)起PCI 操作,完成數(shù)據(jù)傳輸。

由于FPGA 本身不是標(biāo)準(zhǔn)的PCI 接口,在Linux操作系統(tǒng)中并不存在相應(yīng)的驅(qū)動(dòng),因此需要單獨(dú)開(kāi)發(fā)基于FPGA 實(shí)現(xiàn)的PCI/PCIX IP 核驅(qū)動(dòng)[4]。首先在內(nèi)核中注冊(cè)一個(gè)PCI 設(shè)備,將FPGA 作為一個(gè)塊設(shè)備注冊(cè)(在Linux 下,塊設(shè)備比字符設(shè)備具有更大的數(shù)據(jù)吞吐速率);在Linux 內(nèi)核中調(diào)用pci-enabledevice()函數(shù)探測(cè)并激活FPGA。當(dāng)PowerPC440 處理器探測(cè)到Device ID 和VendorID 分別為0x1000、0x10ee 時(shí),即為發(fā)現(xiàn)PCI 設(shè)備FPGA,發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸操作。

數(shù)據(jù)傳輸采用DMA 方式,與配置的PCI/PCIX突發(fā)模式對(duì)應(yīng)。

5 測(cè)試結(jié)果

將PCI/PCIX 驅(qū)動(dòng)程序采用insmod 命令編譯進(jìn)Linux 內(nèi)核,加載網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)后, 在應(yīng)用層發(fā)起PCI/PCIX 傳輸操作,將SDRAM 中的64 Mbyte數(shù)據(jù)由FPGA 經(jīng)PCI/PCIX 寫(xiě)入到PowerPC440 的內(nèi)存,通過(guò)示波器測(cè)PCI/PCIX 的FRAME 信號(hào),FRAME 為幀周期信號(hào),表示一次訪問(wèn)的開(kāi)始和持續(xù)時(shí)間。

實(shí)驗(yàn)條件如下:CPU 為Pentium(R)Dual -CoreE5200@2.5GHz;內(nèi)存2 Gbyte;操作系統(tǒng)為Windows XP Professinal Service Pack 3;ISE 版本:10.1.03;Linux 內(nèi)核版本:2.6.26.1;示波器:Agilent Oscilloscope DSO5034A。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

表1 PCI/PCIX IP 核傳輸速率Table 1 The transmission speed for PCI/PCIX

實(shí)驗(yàn)表明,基于FPGA 實(shí)現(xiàn)的PCI/PCIX IP 核在66 M/64 bit,以突發(fā)長(zhǎng)度為512 byte的條件下,傳輸速度可穩(wěn)定在420 Mbyte/s以上,總線利用率在80%左右,性能超過(guò)目前常用的RapidIO(3.125 Gbit/s)總線以及PCIE(2.5 Gbit/s)總線,考慮到PCI/PCIX 總線在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的通用性及實(shí)現(xiàn)難度, 這種傳輸方式將會(huì)得到廣泛應(yīng)用,且已在某寬帶項(xiàng)目中得到驗(yàn)證。

6 結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)寬帶數(shù)傳通過(guò)采用PCI9054、PCI9656 等外圍芯片實(shí)現(xiàn)PCI 總線協(xié)議,這種方式增加了PCB 板的面積與功耗,及系統(tǒng)復(fù)雜性,而采用FPGA 通過(guò)VHDL 硬件語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)PCI/PCIX 協(xié)議,將PCI/PCIX 作成一個(gè)通用的IP 核,增加了程序的通用性或移植性,為寬帶數(shù)據(jù)處理終端提供了一種靈活的數(shù)據(jù)傳輸方式,是利用FPGA 實(shí)現(xiàn)高速數(shù)傳的一種有效嘗試。目前,PCI/PCIX 總線是66 M/64 bit傳輸方式,下一步考慮升級(jí)為133 M/64 bit傳輸方式,以增加系統(tǒng)帶寬,實(shí)現(xiàn)更高速度的寬帶數(shù)傳。

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