一種基于PCI總線的反射內(nèi)存卡設(shè)計(jì)

1 引言

　　對實(shí)時(shí)傳輸， 傳統(tǒng)的以太網(wǎng)絡(luò)由于傳輸協(xié)議開銷的不確定性， 很難滿足實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)的要求， 實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)是一種應(yīng)用于高實(shí)時(shí)性要求的專用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)， 一般采用基于高速網(wǎng)絡(luò)的共享存儲(chǔ)器技術(shù)實(shí)現(xiàn)。除了具有嚴(yán)格傳輸確定性和可預(yù)測性外， 還具有傳輸速度高、通訊協(xié)議簡單、軟硬件平臺(tái)適應(yīng)性強(qiáng)、可靠的傳輸糾錯(cuò)能力、支持中斷信號(hào)的傳輸?shù)忍攸c(diǎn)。鑒于以上原因， 設(shè)計(jì)一款反射內(nèi)存卡， 寫入一個(gè)節(jié)點(diǎn)的內(nèi)存的數(shù)據(jù)可以通過網(wǎng)絡(luò)硬件傳輸?shù)狡渌械墓?jié)點(diǎn)。

　　2 硬件設(shè)計(jì)

　　反射內(nèi)存卡系統(tǒng)的總體框圖如圖1 所示， 主要由5部分組成:FPGA、PCI 接口、SDRAM、數(shù)據(jù)編解碼電路、光纖收發(fā)電路。

　　其中，F(xiàn)PGA 內(nèi)部包含SDRAM控制器和FIFO 控制器、編解碼控制器、接收FIFO、發(fā)送FIFO、中斷FIFO及中斷控制等。FPGA 選用Cyclone II 系列的EP2C35F484C7;PCI 選用PLX 公司的PCI9054，能夠提供兩個(gè)獨(dú)立的DMA 引擎，每個(gè)都可以進(jìn)行讀寫，在一個(gè)DMA 讀取數(shù)據(jù)的同時(shí)另一個(gè)DMA 可以寫入數(shù)據(jù)，加快系統(tǒng)工作速度; 編解碼芯片選用安捷倫的H D M P -1636A，提供十位的并行IO，串行數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)1062.5MBd，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)串并行和并串行轉(zhuǎn)換，以便與光纖收發(fā)器內(nèi)部數(shù)據(jù)格式進(jìn)行匹配; 光纖收發(fā)器選用安捷倫的HFBR-57L5AP，支持多模光纖，串行傳輸速率達(dá)1.0625Gb/s，負(fù)責(zé)將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)， 通過光纖向下一節(jié)點(diǎn)傳輸。

圖1 反射內(nèi)存卡系統(tǒng)的總體框圖

　　2.1 SDRAM 控制器

　　與雙端口RAM 相比，SDRAM 容量大、價(jià)格低，采用128M 的SDRAM 作為反射內(nèi)存卡的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。由于SDRAM 讀寫不能同時(shí)進(jìn)行，且需要刷新維護(hù)，因此，需要設(shè)計(jì)SDRAM 控制器。

　　SDRAM 控制器實(shí)現(xiàn)對SDRAM 的讀寫控制與仲裁，提供類似于雙端口RAM 的外部接口。SDRAM 控制器內(nèi)部由初始化模塊、刷新計(jì)數(shù)器、地址多路開關(guān)、仲裁及信號(hào)產(chǎn)生器等組成，SDRAM 控制器結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 SDRAM 控制器結(jié)構(gòu)圖

　　SDRAM 控制器內(nèi)部各模塊功能如下:

　　(1) 初始化模塊在上電之后對SDRAM 的模式寄存器進(jìn)行設(shè)置;(2) 刷新計(jì)數(shù)器對SDRAM 進(jìn)行定時(shí)刷新;(3) 地址多路開關(guān)將地址總線上的地址轉(zhuǎn)化為SDRAM 的行列地址;(4) 仲裁機(jī)構(gòu)要對上位機(jī)讀、上位機(jī)寫、網(wǎng)絡(luò)寫和刷新等操作做出仲裁。當(dāng)讀寫和刷新同時(shí)產(chǎn)生時(shí)， 先完成相應(yīng)的讀寫操作然后再刷新， 而上位機(jī)讀、上位機(jī)寫、網(wǎng)絡(luò)寫這三種操作的優(yōu)先級(jí)從高到低依次是網(wǎng)絡(luò)寫、上位機(jī)讀、上位機(jī)寫;(5) 信號(hào)產(chǎn)生器根據(jù)不同的讀寫操作產(chǎn)生不同的讀寫信號(hào)， 從而SDRAM 可以正常工作， 而不發(fā)生讀寫沖突。

　　2.2 FIFO 控制器

　　在峰值速率下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，SDRAM 存儲(chǔ)器很難達(dá)到要求，所以使數(shù)據(jù)經(jīng)過FIFO 緩存后發(fā)送或接收，可以降低了對存儲(chǔ)器傳輸速率的要求， 實(shí)現(xiàn)較高的傳輸速率。設(shè)計(jì)了FIFO 控制器，它由數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)封裝、仲裁、讀信號(hào)產(chǎn)生器、寫信號(hào)產(chǎn)生器組成。FIFO 控制器結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 FIFO 控制器結(jié)構(gòu)圖

　　FIFO 控制器內(nèi)部各模塊功能如下:

　　(1) 數(shù)據(jù)解析對從網(wǎng)絡(luò)中接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，如果是中斷事件將中斷數(shù)據(jù)寫到中斷FIFO 中，如果是需要共享的數(shù)據(jù)則一部分送到SDRAM 控制器，一部分送仲裁機(jī)構(gòu);(2) 數(shù)據(jù)封裝對本節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)重新打包，加入數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)包長度、發(fā)送節(jié)點(diǎn)ID、目標(biāo)節(jié)點(diǎn)ID 及校驗(yàn)等相關(guān)信息，以便于其他節(jié)點(diǎn)對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析;(3) 仲裁機(jī)構(gòu)對來自接收FIFO 的數(shù)據(jù)和本節(jié)點(diǎn)發(fā)送到數(shù)據(jù)進(jìn)行仲裁， 當(dāng)他們同時(shí)到達(dá)時(shí)來自接收FIFO的數(shù)據(jù)優(yōu)先;(4) 讀信號(hào)產(chǎn)生器在接收到半滿中斷時(shí)產(chǎn)生讀信號(hào)，從接收FIFO 中讀出相應(yīng)的數(shù)據(jù)，避免FIFO 充滿或溢出;(5) 寫信號(hào)產(chǎn)生器在仲裁機(jī)構(gòu)向下發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)給發(fā)送FIFO一個(gè)寫信號(hào)。FIFO控制器仿真時(shí)序如圖4所示。

圖4 FIFIO 控制器仿真時(shí)序

　　2.3 編解碼控制器

　　編解碼控制器由信號(hào)產(chǎn)生器、數(shù)據(jù)校驗(yàn)、8B/10B編碼、8B/10B 解碼組成。編解碼控制器結(jié)構(gòu)如圖5 所示。在這部分主要是進(jìn)行數(shù)據(jù)8B/10B 編解碼，以與編解碼芯片數(shù)據(jù)格式匹配同時(shí)給編解碼芯片的正常工作提供控制信號(hào)，數(shù)據(jù)編解碼控制器仿真時(shí)序如圖6 所示。

圖5 編解碼控制器結(jié)構(gòu)圖

　圖6 數(shù)據(jù)編解碼仿真時(shí)序

　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)包括驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序兩部分。驅(qū)動(dòng)程序提供的API 接口主要包含以下四個(gè)方面的功能: 打開和關(guān)閉驅(qū)動(dòng)、配置反射內(nèi)存卡、數(shù)據(jù)傳輸、中斷控制與處理。當(dāng)應(yīng)用程序訪問反射內(nèi)存卡資源時(shí)，反射內(nèi)存板必須打開， 一個(gè)句柄將返回到應(yīng)用程序。圖7是應(yīng)用程序處理的流程圖。

圖7 應(yīng)用程序流程圖

　　4 性能測試

　　用三塊反射內(nèi)存卡組成環(huán)形反射內(nèi)存網(wǎng)， 由節(jié)點(diǎn)1向2 節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)， 節(jié)點(diǎn)2 發(fā)送到節(jié)點(diǎn)3， 由節(jié)點(diǎn)3 向節(jié)點(diǎn)1 發(fā)送確認(rèn)中斷， 記下此時(shí)的終止時(shí)間， 如表1 所示。

　　該反射內(nèi)存卡在windows 操作系統(tǒng)下進(jìn)行測試，由于windows 為非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，所以需發(fā)送大批量的數(shù)據(jù)進(jìn)行速率測試， 以克服操作系統(tǒng)本身的時(shí)延。試驗(yàn)中每次發(fā)送15Mbit 的數(shù)據(jù)，根據(jù)傳輸速率= 總數(shù)據(jù)量/ 總時(shí)間算出傳輸速率。又由編解碼芯片的串行傳輸速率為1062.5MBd，數(shù)據(jù)傳輸速率為106.25MB/s，而數(shù)據(jù)包的長度是可變的， 從1 個(gè)雙字到16 個(gè)雙字， 每包數(shù)據(jù)包括32 位的header、32 位的地址數(shù)據(jù)和32 位的校驗(yàn)和，所以有效的數(shù)據(jù)傳輸速率在26MB/s 至88MB/s，我們測得的數(shù)據(jù)傳輸率為38.9 MB/s 至39.9 MB/s，可以得出該反射內(nèi)存樣卡功能正常。

表1 環(huán)形通訊傳輸速率表

　　5 結(jié)束語

　　本文介紹了一種基于PCI 總線的反射內(nèi)存卡的設(shè)計(jì)方法。給出了硬件電路設(shè)計(jì)，在FPGA 內(nèi)完成數(shù)據(jù)緩存FIFO 及其控制器、SDRAM 控制器和編解碼控制器的設(shè)計(jì)， 結(jié)構(gòu)清晰， 集成度高; 介紹了驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)，提供了應(yīng)用程序接口; 采用三塊反射內(nèi)存卡搭建了驗(yàn)證系統(tǒng)， 實(shí)驗(yàn)證明該反射內(nèi)存樣卡功能正常， 工作穩(wěn)定。