基于PCI Express總線的數(shù)據(jù)采集設備的實現(xiàn)

1 引言

隨著計算機技術的發(fā)展，數(shù)據(jù)傳輸帶寬的日益增長，總線技術也在迅速的發(fā)展。高速信號傳輸，海量數(shù)據(jù)采集與記錄，實時視頻圖像處理以及其他數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)吞吐量現(xiàn)以kMb／s為量級。

未來計算機系統(tǒng)對帶寬和擴展性的要求已經(jīng)超越了第二代總線技術。第三代高性能I／O總線技術——PCI Express(PCIE)總線解決了以往總線的不足，它的發(fā)展將取代第二代總線成為新的數(shù)據(jù)總線，其提供了更加完善的性能、更多的功能、更強的可擴展性和更低的成本。

本文研究PCI Express總線技術的發(fā)展與構(gòu)架，介紹采用Xilinx公司的FPGA與NXP公司的PHY器件實現(xiàn)一種經(jīng)濟簡單的數(shù)據(jù)采集設備。在電路設計中，分析了總線信號高速布線的要求。

最后詳細介紹數(shù)據(jù)采集設備的數(shù)據(jù)通道部分在Xilinx Pipe Core中的實現(xiàn)，并通過WinDriver軟件開發(fā)簡單的驅(qū)動程序。

2 PCIE總線發(fā)展和構(gòu)架介紹

2.1 PCIE總線的發(fā)展

PCI Express是用來互連諸如計算機和通信平臺應用中外圍設備的第三代I／O總線技術，第一代總線包括ISA，EISA，VESA和微通道(Micro Channel)總線，而第二代總線則包括了PCI，PCI-X和AGP。PCIExpress是一種能夠應用于一點設備、臺式電腦、工作站、服務器、嵌入式計算機和通信平臺等所有周邊I／O設備互連的總線。

PCIE最初由InteI發(fā)展，并于1992年在市場發(fā)布。PCIE的體系結(jié)構(gòu)繼承了第二代總線體系結(jié)構(gòu)最有用的特點，并且采用計算機體系結(jié)構(gòu)中新的開發(fā)成果。它保留了原先的通訊模型和下載配置機制，但拋棄了共享總線的方式，采用點到點的總線連接方式。由于它提供了更高的性能特點和越來越大的帶寬，從而解決了PCI，PCI-X和AGP的許多缺點，是以后PC發(fā)展必然采用的接口總線，其必將取代PCI，PCI-X以及圖形加速器(AGP)。

2.2 PCIE總線的構(gòu)架

PCI Express保持了與PCI尋址模式(加載-存儲體系結(jié)構(gòu)具有單層地址空間)的兼容性，從而保證了對現(xiàn)有應用程序和驅(qū)動的兼容性。同時，PCI Express的配置機制是與PCI一致的即插即用標準。

軟件層發(fā)出讀寫請求，使用基于數(shù)據(jù)包、分段傳輸?shù)膮f(xié)議通過物理層傳輸至I／O設備。鏈路層向這些數(shù)據(jù)包添加序列號和循環(huán)冗余校驗(CRC)以建立一個高度可靠的數(shù)據(jù)傳輸機制?；镜奈锢韺影▊鬏攲徒邮諏蓚€單工通道，統(tǒng)稱為一個信道。1個lane的信道可以保證每個方向約250 MB／s標準帶寬，這其中大約200 MB／s用來傳輸數(shù)據(jù)，其余被文件的協(xié)議部分占用。這一速率為一般PCI設備的2～4倍，同時PCIExpress總線點到點的總線連接結(jié)構(gòu)可以讓每個PCIExpress設備都具有這個帶寬。

3 基于FPGA與PHY器件的采集設備實現(xiàn)

3.1 采集通道器件和FPGA的選型及設計

采集設備包含2個采集通道，采用模／數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS5102設計。ADS5102是德州儀器的一款10 b-65MSPS采樣率并帶內(nèi)部電壓參考的模／數(shù)轉(zhuǎn)換器，采用1.8 V模擬供電。與同一類型的ADS5103相比，它的采樣率更高，而且采用差分信號輸入，有效地提高了輸入信號的共模抑制比。

FPGA選用Xilinx公司Spartan-3系列XC3S1000。其采用90 nm材料生產(chǎn)，容量高、成本低，具有業(yè)界一流的區(qū)塊和分布，具有多達784個I／O，MicroBlaze 32位RISC軟處理器和支持乘法累加器(MAC)功能的嵌入XtremeDSP功能。

Xilinx Spartan-3 PCI Express設計包括一個PCIExpress Pipe Endpoint LogiCore。Xilinx低成本Spartan-3系列提供PCI Express協(xié)議層核。PCIE PipeEndpoint LogiCORE整合了分立的PCIE PHY，提供了全面的、完全符合PCI Express基礎規(guī)范(PCI Express Base Specification)v1.1的PCIE端點解決方案。

3.2 外部PHY器件PX1011A

NXP公司的PX1011A符合PCI Express規(guī)范v1.0a和v1.1，是一款與低成本FPGA一起使用而優(yōu)化的單通道2.5 Gb／s的PCI Express PHY器件。

數(shù)據(jù)由接收器的差分輸入接口進入PXl011A，在被傳送到解串化電路之前，這些數(shù)據(jù)將小振幅的差分信號變?yōu)檐墝壍臄?shù)字信號。一個載波檢測電路將檢測線路上是否有數(shù)據(jù)并將這些信息傳送到串行器／解串器SERDES和物理編碼子層PCS。SERDES將這些數(shù)據(jù)串并轉(zhuǎn)化為10位并行數(shù)據(jù)。然后PCS采用8位／10位解碼器來恢復成8位數(shù)據(jù)格式。

在發(fā)送過程中，來自Pipe接口的8位數(shù)據(jù)通過一個8位／10位編碼算法進行編碼。8位／10位編碼確保串行數(shù)據(jù)被直流平衡以避免交流耦合系統(tǒng)中的基帶漂移，它同時確保足夠的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以避免接收端的時鐘恢復。

PX1011A的MAC接口采用獨立的時鐘，由片內(nèi)100 MHz的基準時鐘鎖相環(huán)產(chǎn)生。鎖相環(huán)有一個相對較高的帶寬來實現(xiàn)可選的擴頻并較少EMI。8 b數(shù)據(jù)接口在250 MFIz上運行并進行SSTL2信號發(fā)送，這種模式與流行的FPGA I／O接口兼容。

3.3 硬件電路設計

采集部分硬件電路包含2個通道的ADC和觸發(fā)電路，每通道ADC轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)CH1[9：0]和CH2[9：0]傳輸?shù)紽PGA端口。PCIE接口電路包括3個部分：第1部分是PX1011A與FPGA的連接信號線，包括8位的收發(fā)信號TXD[7：0]和RXD[7：0]；控制信號RX_DATAK，RX_VALID，RX_CLK，RX_EIDLE，RX_POLAR，RX_PHY_STAT，TX_DATAK，TX_CLK，TX_EIDLE，TX_COMP，TX_DET_LOOP，TX PWRDN0，TX_PWRDN1，狀態(tài)信號STAT0，STAT1，STAT2和復位信號RESET。第2部分是PX1011A與PCIE接口的連接信號線，包括差分接收信號，差分發(fā)送信號，差分時鐘。第3部分是PCI Express的配置接口，包括PCIE_TMS，PCIE_TCK，PCIE_TDO，PCIE_TDI和PCIE_TRST。如圖1所示。 

PCB布線時有以下注意點：終端阻抗布線盡量降低容性；一組信號，避免在參考層斷續(xù)；高速信號盡量在一層布線，且不打孔，否則要在過孔處打一個U形的地孔；微波傳輸帶，差分信號布線線寬5 mil，間距7 mil；帶狀傳輸線，差分信號布線線寬5 mil，間距5 mil。信號之間的間距在20 mil以上，高壓和邊緣尖銳的信號盡量遠離差分線，避免干擾。

接口上數(shù)據(jù)采用SSTL2信號發(fā)送，傳送速率達到250 MB／s。每組數(shù)據(jù)發(fā)送端需串行一個25歐姆電阻，數(shù)據(jù)接收端上拉50 Ω電阻，提高信號的阻抗匹配。TD和RX每組為8位250 MB／s信號，為了減少信號間的延時誤差，每組信號布線時盡量等長且減少走線長度。

3.4 Pipe Core實現(xiàn)PCIE總線協(xié)議

Xilinx PCI Express Pipe Core符合PCI ExpressBase Specification v1.1規(guī)范協(xié)議和電特性兼容，提供完整的端點解決方案包括物理鏈接與處理及配置管理模塊。支持同步點對點通信，上行和下行流程控制，與PCI Express處理排序規(guī)則完全兼容。

Pipe Core數(shù)據(jù)管理包括傳輸層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層3個模塊。這些模塊包括產(chǎn)生和進行傳輸包、數(shù)據(jù)流的控制管理、物理接口初始化、并串轉(zhuǎn)換以及其他的接口操作。由Pipe Core組成數(shù)據(jù)通道，并可以構(gòu)成多PCI Express設備的拓撲結(jié)構(gòu)。如圖2所示。

4 基于WinDriver的驅(qū)動程序開發(fā)

4.1 采集設備的驅(qū)動安裝

將數(shù)據(jù)采集設備安裝到計算機PCI express×1插槽，啟動計算機時操作系統(tǒng)會檢測到此設備并提示添加硬件向?qū)?，忽略此提示。然后，從開始菜單選擇WinDriver／DriverWizard，新建工程。此時DriverWizard將會顯示所有的計算機中的即插即用設備

根據(jù)設備信息(ID號)選擇所要測試的設備，如圖3所示，數(shù)據(jù)采集設備ID號為0301，雙擊此設備，出現(xiàn)設備測試對話框，向指定的設備空間寫入數(shù)據(jù)測試設備是否工作良好。最后由DriverWizard生成簡單的驅(qū)動程序代碼。

4.2 數(shù)據(jù)傳輸模式與配置函數(shù)

驅(qū)動程序得到從數(shù)據(jù)采集設備發(fā)送的數(shù)據(jù)，并存儲在指定的內(nèi)存空間，根據(jù)用戶的選擇可以實時顯示或者存儲在磁盤空間。使用WinDriver編寫的驅(qū)動程序通過WinDriver內(nèi)核模塊與硬件進行通信，本驅(qū)動程序要實現(xiàn)的主要功能是從設備讀取指定的數(shù)據(jù)到計算機，并根據(jù)要求發(fā)送命令到設備控制寄存器對設備的各種狀態(tài)進行控制。

設備與計算機進行數(shù)據(jù)傳輸有2種模式：PIO模式和DMA(直接內(nèi)存訪問)模式。PIO模式主要實現(xiàn)計算機和數(shù)據(jù)采集卡之間的命令傳輸；DMA模式主要針對大塊數(shù)據(jù)傳輸，傳輸過程中不需要經(jīng)過CPU，數(shù)據(jù)直接從設備傳送到內(nèi)存中，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾士?，可以充分利用PCIE數(shù)據(jù)帶寬。

為了能從設備中讀到數(shù)據(jù)，首先應該獲得設備的信息，設備信息主要包括廠家ID號，設備內(nèi)存映射空間，設備所在插槽號以及其他設備專用配置信息。只有獲得了設備信息才能實現(xiàn)對設備的訪問，這些信息通過下面2個函數(shù)得到：

void WD_PciScanCards函數(shù)用于檢測安裝于PCIE總線上的設備。Void WD_PciGetCardInfo函數(shù)獲取PCI設備的資源信息，例如內(nèi)存資源，I／O資源，中斷資源等。對設備信息的登記是通過結(jié)構(gòu)WD_CARD_REGISTER來實現(xiàn)，它包含了硬件的各項信息。這些信息可以通過第一步中的2個函數(shù)獲得。在確定WD_CARD_REGISTER結(jié)構(gòu)后調(diào)用函數(shù)WDCardRegister向Windriver Kernel登記設備。在得到了設備信息并且向WinDriver注冊了此設備后就可以在設備和計算機之間傳輸數(shù)據(jù)。

5 結(jié) 語

采用PCI express總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集設備可以有效地提高數(shù)據(jù)的傳輸帶寬，解決總線帶寬不足瓶頸帶來的種種問題。文中的總線設計為1個通道的PCI express，雙向的讀寫速度為250 MB／s。后面的設計中會不斷提高Pcie總線的通道數(shù)，以滿足更高的總線設計需求。