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。在高速信號的實(shí)時處理中，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)時傳輸和存儲，為信號的實(shí)時處理提供方便。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。在此通過對專用接口芯片 PCI9054的性能分析，特別是對單周期讀、寫和存儲器映射傳輸操作的時序進(jìn)行了分析，提出了一種新的包括PCI9054單周期讀、寫和存儲器映射傳輸?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)變得簡單。利用PCI9054靈活的局部總線可以方便地連接多種存儲器、 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的本地總線時鐘可與PCI總線時鐘異步，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，時序與控制比較簡單。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，主要有兩項(xiàng)工作，一是需要對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)的存儲器配置；二是根據(jù)PCI9054提供的本地總線控制信號設(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)格的電氣特性和時序要求，它要求在接口卡和終端設(shè)備之間有一個總線接口控制器，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用來配合PCI9054的Local總線控制信號，實(shí)現(xiàn)Local總線端的數(shù)據(jù)傳送。E2PROM接口直接連接一個E2PROM來初始化配置PCI9054。整個板卡的邏輯結(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和動目標(biāo)信號采樣，并對采樣值進(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)傳過來高低、方位及自定義的差分信號傳送時鐘、串行幀同步、串行數(shù)據(jù)、模式字，對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理和小目標(biāo)的放大。當(dāng)信號小于一定值，則認(rèn)為沒有信號；信號值落在某一區(qū)間，為了觀察方便要將其放大。FPGA同時完成各種自檢信號的產(chǎn)生、A／D的控制信號、以及各種讀寫時序。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)接口控制信號線。具體框圖如圖2所示。

2．2 存儲器映射傳輸

基于PCI9054的存儲器映射傳輸是核心部分。根據(jù)配置寄存器配置的Local總線三個空間的大小以及三個空間的基地址，把數(shù)據(jù)寫到相應(yīng)的存儲空間。計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)識別板卡正確后，自動分配存儲空間給本卡，應(yīng)用軟件應(yīng)用計(jì)算機(jī)自動分配的存儲空間進(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，IRDY和TRDY分別為主設(shè)備準(zhǔn)備好信號和從設(shè)備準(zhǔn)備好信號，當(dāng)兩者同時有效時，才能真正進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。板卡復(fù)位或上電時，PCI9054自動裝載E2PROM中的配置信息，同時EPC2自動配置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)動程序的編寫。PCI9054的正確配置是其正常工作的關(guān)鍵，PC操作系統(tǒng)在開機(jī)掃描總線時，正確的配置信息使操作系統(tǒng)正確識別板卡，并提示安裝驅(qū)動程序。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)動程序的基本功能就是完成設(shè)備的初始化，對端口的讀寫操作，對中斷的設(shè)置、響應(yīng)和調(diào)用，以及對內(nèi)存和接口設(shè)備存儲器空間的直接讀寫。這里選用的驅(qū)動程序開發(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ISA／PCI插卡，還包含一個代碼生成器 Windrive Wizward和針對于PCI9054的函數(shù)，所以開發(fā)比較簡單，周期比較短。文獻(xiàn)[4，5]在設(shè)計(jì)驅(qū)動程序之前，對欲控制的硬件設(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)備的特性對驅(qū)動程序設(shè)計(jì)會產(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)備的錯誤和狀態(tài)，了解如何判斷設(shè)備的狀態(tài)和錯誤信號，通過驅(qū)動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，還是存儲器映射傳輸；

設(shè)備內(nèi)存，RAM的容量，與系統(tǒng)總線(PCI)對應(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信號并檢測串行 E2PROM。如果串行E2PROM中的前33個比特不全為1，那么PCI9054確定串行E2PROM為非空，用戶可通過向9054的寄存器CNTRL 的CNTRL29位寫1來加載E2PROM的內(nèi)容到PCI9054的內(nèi)部寄存器，配置的信息(設(shè)備識別號，供應(yīng)商代碼號，Local總線三個空間的大小以及三個空間的基地址等)事先要利用編程寫入配置寄存器中。

3．2 PCI配置寄存器的配置

配置PCI配置寄存器比較簡單。主要是填寫生產(chǎn)商ID號、器件ID號、類碼子系統(tǒng)ID號和子系統(tǒng)生產(chǎn)商ID號。對于PCI9054，其生產(chǎn)商ID號為 10B5，器件ID號為9054，子系統(tǒng)號ID為9054，子系統(tǒng)ID號為10B5，類碼號為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

對于本地配置寄存器的配置就是對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要訪問本地地址空間時，要知道其對應(yīng)的PCI總線地址。

4 電路板實(shí)現(xiàn)與測試

PCI規(guī)范對擴(kuò)展板的機(jī)械和電氣方面都有一系列的規(guī)范要求。在布板和繪圖的過程中需要特別注意一些技術(shù)要求，布出來的板子工作起來才會穩(wěn)定可靠。如：除了 PCI協(xié)議中的信號線外，連接器本身的信號引腳值得注意，如板卡存在信號PRSNT1和PRSNT2；電源的退耦、PCI協(xié)議信號線的走線長度限制和擴(kuò)展板上信號線的負(fù)載要求等都是在布板過程中特別應(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。采用存儲器映射的傳輸方式，本地時鐘采用20 MHz時，通過測試，傳輸速率能夠達(dá)到20 MB／s以上，提高本地時鐘的頻率，數(shù)據(jù)傳輸率還能夠更高。

5 結(jié) 語

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)傳輸問題，有利于數(shù)據(jù)的實(shí)時處理，獲得了比較滿意的效果。隨著信號處理技術(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。