基于PCI總線的雷達(dá)視頻高速數(shù)據(jù)采集接口設(shè)計(jì)

引 言
    PCI總線(Peripheral Component Interconnect)是Intel公司推出的一種高性能32／64位局部總線，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為132～264MB／s，是目前使用較為廣泛的一種總線。在高速信號(hào)的實(shí)時(shí)處理中，利用PCI總線將采集數(shù)據(jù)直接傳送到微機(jī)系統(tǒng)內(nèi)存，可有效解決數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸和存儲(chǔ)，為信號(hào)的實(shí)時(shí)處理提供方便。利用PCI總線進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集，可以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，而且這種高速數(shù)據(jù)采集接口模塊可以在多次設(shè)計(jì)中重復(fù)使用，縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期。在此通過(guò)對(duì)專用接口芯片PCI9054的性能分析，特別是對(duì)單周期讀、寫(xiě)和存儲(chǔ)器映射傳輸操作的時(shí)序進(jìn)行了分析，提出了一種新的包括PCI9054單周期讀、寫(xiě)和存儲(chǔ)器映射傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)，并討論了通用PCI總線高速數(shù)據(jù)采集卡的實(shí)現(xiàn)方案。

1 PCI9054性能簡(jiǎn)介
    PCI9054是PLX公司推出的一種32位33 MHz的PCI總線控制器。它采用多種先進(jìn)技術(shù)．可以將復(fù)雜的PCI接口應(yīng)用設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單。利用PCI9054靈活的局部總線可以方便地連接多種存儲(chǔ)器、I／O外圍設(shè)備和CPU，其中包括與Motorola公司的MPC860和Intel公司的960和IBM公司的PPC401等處理器之間的直接連接。PCI9054可廣泛應(yīng)用于Motorola公司的MPC 860適配器設(shè)計(jì)、Compact PCI熱交換適配器設(shè)計(jì)、PCI總線主控適配器和嵌入式主機(jī)等設(shè)計(jì)系統(tǒng)中。PCI9054的本地總線時(shí)鐘可與PCI總線時(shí)鐘異步，本地總線有三種工作模式：M模式、C模式和J模式，可方便地與多種微處理器連接。其中，在C模式下，本地總線(Local Bus)為非復(fù)用的32 b地址與數(shù)據(jù)總線，時(shí)序與控制比較簡(jiǎn)單。PCI9054還有三種數(shù)據(jù)傳送方式，即PCI主發(fā)起、PCI從目標(biāo)、DMA方式。PCI從目標(biāo)即PCI9054作為PCI總線的從設(shè)備，由總線上的其他主設(shè)備向它傳送數(shù)據(jù)；在PCI9054的本地總線端，PCI9054又作為主設(shè)備，向本地的存儲(chǔ)空間和I／O空間傳送數(shù)據(jù)。在設(shè)計(jì)本地總線的數(shù)據(jù)傳送接口時(shí)，主要有兩項(xiàng)工作，一是需要對(duì)PCI空間到本地空間，或本地空間到PCI空間的地址映射，進(jìn)行相應(yīng)的存儲(chǔ)器配置；二是根據(jù)PCI9054提供的本地總線控制信號(hào)設(shè)計(jì)本地總線的邏輯控制功能，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳送時(shí)序。

2 數(shù)據(jù)采集卡PCI接口電路設(shè)計(jì)
    PCI總線規(guī)范定義了嚴(yán)格的電氣特性和時(shí)序要求，它要求在接口卡和終端設(shè)備之間有一個(gè)總線接口控制器，采用某些公司提供的專用接口芯片，如PLX公司的PCI9080，PCI9054和AMCC公司的S5933，S5920等。使用它只需要設(shè)計(jì)用戶接口邏輯和配置電路。大大減少了開(kāi)發(fā)人員的工作量，且功能強(qiáng)，使用靈活。
    該設(shè)計(jì)采用PCI9054+FPGA實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸接口。PCI9054能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的PCI總線規(guī)范2．2版，支持重要產(chǎn)品數(shù)據(jù)(VPD)配置，支持雙地址周期，可編程中斷生成，可編程突發(fā)管理，存儲(chǔ)器映射傳輸，具有可選的串行E2PROM接口，并支持Compact PCI和熱交換功能，性能卓越，使用方便。FPGA用來(lái)配合PCI9054的Local總線控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)Local總線端的數(shù)據(jù)傳送。E2PROM接口直接連接一個(gè)E2PROM來(lái)初始化配置PCI9054。整個(gè)板卡的邏輯結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2．1 FPGA內(nèi)部控制
    采樣控制電路主要完成視頻信號(hào)和動(dòng)目標(biāo)信號(hào)采樣，并對(duì)采樣值進(jìn)行處理。設(shè)計(jì)的FPGA采用Altera公司的FLEX系列中的EPF1OK20芯片，并采用該公司與之配套的配置設(shè)備EPC2芯片來(lái)完成采樣后的數(shù)據(jù)處理。在FPGA內(nèi)部，根據(jù)由網(wǎng)絡(luò)傳過(guò)來(lái)高低、方位及自定義的差分信號(hào)傳送時(shí)鐘、串行幀同步、串行數(shù)據(jù)、模式字，對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理和小目標(biāo)的放大。當(dāng)信號(hào)小于一定值，則認(rèn)為沒(méi)有信號(hào)；信號(hào)值落在某一區(qū)間，為了觀察方便要將其放大。FPGA同時(shí)完成各種自檢信號(hào)的產(chǎn)生、A／D的控制信號(hào)、以及各種讀寫(xiě)時(shí)序。Local總線與外部的I／O部分，用鎖存器(如74F574)接口數(shù)據(jù)通路，用雙向通路(如74LS245)接口控制信號(hào)線。具體框圖如圖2所示。

2．2 存儲(chǔ)器映射傳輸
    基于PCI9054的存儲(chǔ)器映射傳輸是核心部分。根據(jù)配置寄存器配置的Local總線三個(gè)空間的大小以及三個(gè)空間的基地址，把數(shù)據(jù)寫(xiě)到相應(yīng)的存儲(chǔ)空間。計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)識(shí)別板卡正確后，自動(dòng)分配存儲(chǔ)空間給本卡，應(yīng)用軟件應(yīng)用計(jì)算機(jī)自動(dòng)分配的存儲(chǔ)空間進(jìn)行編程，完成所需要的功能。REQ，GNT，LHOLD，LHOL-DA為PCI BUS和LocaI BUS的仲裁信號(hào)，IRDY和TRDY分別為主設(shè)備準(zhǔn)備好信號(hào)和從設(shè)備準(zhǔn)備好信號(hào)，當(dāng)兩者同時(shí)有效時(shí)，才能真正進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。板卡復(fù)位或上電時(shí)，PCI9054自動(dòng)裝載E2PROM中的配置信息，同時(shí)EPC2自動(dòng)配置EPF10K20，即裝載程序入FP-GA。芯片PCI9054已經(jīng)整合了PCI協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了PCI總線的接口。整個(gè)板卡設(shè)計(jì)的關(guān)鍵工作就在于FPGA程序的設(shè)計(jì)、PCI9054的配置和板卡驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)。PCI9054的正確配置是其正常工作的關(guān)鍵，PC操作系統(tǒng)在開(kāi)機(jī)掃描總線時(shí)，正確的配置信息使操作系統(tǒng)正確識(shí)別板卡，并提示安裝驅(qū)動(dòng)程序。如果配置不正確或不完整，則操作系統(tǒng)將找不到板卡，并且可能死機(jī)。單靠硬件無(wú)法將數(shù)據(jù)送到內(nèi)存供顯示讀數(shù)設(shè)備所用，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是連接到板卡的軟件接口。該設(shè)計(jì)中，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的基本功能就是完成設(shè)備的初始化，對(duì)端口的讀寫(xiě)操作，對(duì)中斷的設(shè)置、響應(yīng)和調(diào)用，以及對(duì)內(nèi)存和接口設(shè)備存儲(chǔ)器空間的直接讀寫(xiě)。這里選用的驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)工具是Windrive。Windrive與DDK和VtoolsD相比，適應(yīng)面比較窄，但是它主要針對(duì)ISA／PCI插卡，還包含一個(gè)代碼生成器Windrive Wizward和針對(duì)于PCI9054的函數(shù)，所以開(kāi)發(fā)比較簡(jiǎn)單，周期比較短。文獻(xiàn)[4，5]在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)程序之前，對(duì)欲控制的硬件設(shè)備進(jìn)行了細(xì)致的分析，詳細(xì)了解硬件設(shè)備的特性。硬件設(shè)備的特性對(duì)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)會(huì)產(chǎn)生重大的影響。需要了解的最主要特性有：
    設(shè)備的總線結(jié)構(gòu)，該設(shè)計(jì)中即PCI總線；
    寄存器，該設(shè)計(jì)中即配置的PCI9054寄存器的值；
    設(shè)備的錯(cuò)誤和狀態(tài)，了解如何判斷設(shè)備的狀態(tài)和錯(cuò)誤信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序返回給用戶程序；
    中斷行為，了解設(shè)備產(chǎn)生中斷的條件和使用中斷的數(shù)量；
    數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，是I／O傳輸、DMA傳輸，還是存儲(chǔ)器映射傳輸；
    設(shè)備內(nèi)存，RAM的容量，與系統(tǒng)總線(PCI)對(duì)應(yīng)的基地址和范圍。

3 寄存器配置
    設(shè)計(jì)好接口連接，接口設(shè)計(jì)工作只完成了50％。由于PCI9054是通用PCI接口功能芯片，它的功能還不一定能夠滿足用戶的需求，所以還要進(jìn)行功能寄存器設(shè)置，以使接口電路具有特定的功能。寄存器的配置包括E2PROM初始化，以及Local功能寄存器和PCI配置寄存器的配置。
3．1 E2PROM初始化
    在計(jì)算機(jī)的加電自檢期間，PCI總線的RST信號(hào)復(fù)位，PCI9054內(nèi)部寄存器的默認(rèn)值作為回應(yīng)。PCI9054輸出本地LRESET信號(hào)并檢測(cè)串行E2PROM。如果串行E2PROM中的前33個(gè)比特不全為1，那么PCI9054確定串行E2PROM為非空，用戶可通過(guò)向9054的寄存器CNTRL的CNTRL29位寫(xiě)1來(lái)加載E2PROM的內(nèi)容到PCI9054的內(nèi)部寄存器，配置的信息(設(shè)備識(shí)別號(hào)，供應(yīng)商代碼號(hào)，Local總線三個(gè)空間的大小以及三個(gè)空間的基地址等)事先要利用編程寫(xiě)入配置寄存器中。
3．2 PCI配置寄存器的配置
    配置PCI配置寄存器比較簡(jiǎn)單。主要是填寫(xiě)生產(chǎn)商ID號(hào)、器件ID號(hào)、類碼子系統(tǒng)ID號(hào)和子系統(tǒng)生產(chǎn)商ID號(hào)。對(duì)于PCI9054，其生產(chǎn)商ID號(hào)為10B5，器件ID號(hào)為9054，子系統(tǒng)號(hào)ID為9054，子系統(tǒng)ID號(hào)為10B5，類碼號(hào)為0680，表示其為橋設(shè)備中的其他橋設(shè)備類。
3．3 本地配置寄存器的配置
    對(duì)于本地配置寄存器的配置就是對(duì)本地地址空間及其本地總線屬性的配置。這些配置是根據(jù)實(shí)際開(kāi)發(fā)的硬件板卡的硬件資源進(jìn)行配置。設(shè)備人員配置寄存器的任務(wù)就是要把某一段本地地址應(yīng)設(shè)為PCI地址。也就是當(dāng)主機(jī)CPU要訪問(wèn)本地地址空間時(shí)，要知道其對(duì)應(yīng)的PCI總線地址。

4 電路板實(shí)現(xiàn)與測(cè)試
    PCI規(guī)范對(duì)擴(kuò)展板的機(jī)械和電氣方面都有一系列的規(guī)范要求。在布板和繪圖的過(guò)程中需要特別注意一些技術(shù)要求，布出來(lái)的板子工作起來(lái)才會(huì)穩(wěn)定可靠。如：除了PCI協(xié)議中的信號(hào)線外，連接器本身的信號(hào)引腳值得注意，如板卡存在信號(hào)PRSNT1和PRSNT2；電源的退耦、PCI協(xié)議信號(hào)線的走線長(zhǎng)度限制和擴(kuò)展板上信號(hào)線的負(fù)載要求等都是在布板過(guò)程中特別應(yīng)該重視的，都要滿足PCI電氣規(guī)范的要求。
    該設(shè)計(jì)中嚴(yán)格按照規(guī)范要求設(shè)計(jì)，PCI連接器上的PRSNT1而開(kāi)路，PRSNT2接地，表示本板卡的最大功耗為15 W。元件的退耦電容采用0．1μF，電源的濾波電容采用10μF的電解電容。采用存儲(chǔ)器映射的傳輸方式，本地時(shí)鐘采用20 MHz時(shí)，通過(guò)測(cè)試，傳輸速率能夠達(dá)到20 MB／s以上，提高本地時(shí)鐘的頻率，數(shù)據(jù)傳輸率還能夠更高。

5 結(jié) 語(yǔ)
    這里實(shí)現(xiàn)的PCI數(shù)據(jù)傳輸接口，有效地解決了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題，有利于數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理，獲得了比較滿意的效果。隨著信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，這種基于PCI的數(shù)據(jù)傳輸接口有著十分廣闊的應(yīng)用前景。