引言 近年來軟件無線電（SDR）得到了飛速的發(fā)展，在很多領域已顯示出其優(yōu)越性。本文的項目背景是通過軟件無線電方式實現數字音頻廣播（DAB）的基帶信號處理，這要求軟件無線電平臺具有高速實時數字信號處理與傳輸能力。高速可編程邏輯器件（FPGA）和豐富的IP核提供了能高效實現軟件無線電技術的理想平臺。 1 PCIE總線方案論證 PCIE是第3代I/O總線互聯技術，如今已成為個人電腦和工業(yè)設備中主要的標準互聯總線。與傳統(tǒng)的并行PCI總線相比，PCIE采用串行總線點對點連接，具有更高的傳輸速率和可擴展性。例如本文采用的8通道1代PCIE 2.0硬核的理論傳輸速率是4 GB/s[1],其總線位寬亦可根據需求選擇×1、×2、×4和×8通道。與其他的串行接口（如RapidIO和Hypertransport）相比，PCIE具有更好的性能和更高的靈活性[2]. 1.1 PCIE總線實現方式 目前，PCI Express總線的實現方式主要有兩種：基于專用接口芯片ASIC和基于IP核的可編程邏輯器件FPGA方案。前者通常采用ASIC+FPGA/DSP的組合方式，專用PCIE接口芯片（如PEX8311）避免用戶過多地接觸PCIE協(xié)議，降低了開發(fā)難度；但其硬件電路設計復雜，功能固定，靈活性和可擴展性較差。后者使用IP核實現PCIE協(xié)議，用戶可以開發(fā)其所需的功能和驅動，具有可編程性和可重配置能力；另外，單片FPGA降低了成本和電路復雜程度，更符合片上系統(tǒng)（SoC）的設計思想。本文采用Xilinx公司Virtex6 FPGA和PCIE集成塊，實現雙緩沖模式的高速PCIE接口設計。 1.2 雙緩沖與單緩沖比較 以寫操作（數據從FPGA到內存）為例，雙緩沖PCIE系統(tǒng)框圖如圖1所示。為描述方便，將該FPGA片上系統(tǒng)命名為SRSE（Software Radio System with PCI Express）。 圖1 雙緩沖PCIE系統(tǒng)框圖 PC端的驅動程序在系統(tǒng)內存上為SRSE分配了兩個緩沖區(qū)（WR_BUF1/2）用于數據存儲，這兩個緩沖區(qū)的地址信息分別存儲在FPGA端的DMA寄存器（DAM_Reg1/2）中。Root Complex連接CPU、內存和PCIE器件，它代表CPU產生傳輸請求[3];PCIE核是Xilinx公司提供的集成塊程序，實現PCIE協(xié)議的處理；DMA（直接存儲器訪問）引擎用于實現DSP核和PCIE器件間的高速數據存儲與交換；DSP（數字信號處理）核是用戶設計的算法或應用程序。以圖1為例，DSP核將產生的數據寫入TX_FIFO,DMA引擎將數據以傳輸層數據包（TLP）的形式發(fā)送至PCIE核，其中數據包的頭信息來自寄存器DMA_Reg1.當SRSE將數據寫入緩沖區(qū)WR_BUF1時，驅動分配另外一塊緩沖區(qū)WR_BUF2并將該緩沖區(qū)的地址信息寫入寄存器DMA_Reg2中；當DMA引擎發(fā)出WR_BUF1的寫操作消息中斷（MSI）后，DMA控制器將數據包的頭信息切換至DMA_Reg2,驅動將緩沖區(qū)切換至WR_BUF2,繼續(xù)傳輸數據。 圖2 PCIE總線中斷延遲測量 與雙緩沖相對應的是單緩沖模式。以寫操作為例，驅動程序每次在內存上分配一個緩沖區(qū)WR_BUF,該緩沖區(qū)的地址信息存儲在DMA寄存器DMA_Reg中。當寫滿緩沖區(qū)WR_BUF時，DMA引擎會產生MSI中斷，并通過PCIE核通知驅動程序。驅動分配新的緩沖區(qū)，并將該緩沖區(qū)地址通過PCIE總線寫入DMA寄存器DMA_Reg中。中斷的傳輸和DMA寄存器的更新會產生一定延時，這需要較大的TX_FIFO來存取延時期間DSP核產生的數據。 為精確測量中斷延時時間，搭建了基于DELL T3400型PC和ML605開發(fā)套件的平臺，通過ChipScope觀察的波形結果如圖2所示。DMA中斷發(fā)生在時刻0（mwr_done:0?﹥1）；然后PCIE核向驅動發(fā)出MSI中斷，驅動程序查詢中斷寄存器發(fā)生在時刻2241（irq_wr_accessed:1?﹥0）；驅動程序分配新的內存緩沖區(qū)，然后更新DMA寄存器發(fā)生在時刻2802（wr_dma_buff0_rdy:0?﹥1）。在這2802個時鐘周期內，PCIE器件無法將數據寫入內存。PCIE的時鐘頻率為250 MHz,所以中斷延時T=2802×（1/250 MHz）=11.2 μs.假定DSP核產生數據的速率為200 MB/s,中斷延時期間將產生11.2 μs×200 MB/s=2241 B大小的數據?？紤]到其他不可預測因素，如中斷堵塞等，為了不丟失數據，TX_FIFO至少需要幾KB的空間。這對于FPGA內寶貴的硬件資源（如Block RAM）來說是嚴峻的挑戰(zhàn)。 與單緩沖模式相比，雙緩沖模式優(yōu)點歸納如下： ① 更新緩沖區(qū)不會引入中斷延時，這意味著較小的FIFO即可滿足需求，節(jié)約了硬件資源。 ?、?雙緩沖模式延長了驅動程序處理中斷的時間，也使緩沖區(qū)數據的處理更加容易，丟包率大大減小。 ?、?數據的傳輸和內存緩沖區(qū)的數據處理可以并行處理，系統(tǒng)的實時性得到保證。 ④ 雙緩沖更適合Scatter/Gather DMA,取代block DMA,從而提高內存效率。 2 軟件無線電平臺設計 軟件無線電基于可編程、可重構的通用硬件平臺，通過加載不同的軟件實現不同的無線電功能，廣泛應用于軍用和民用領域。為了能夠實現復雜的算法，其平臺需要具備高速數據交換和實時信號處理的能力。該設計參考Xilinx ML605開發(fā)套件，基于Xilinx Virtex6 LX240T FPGA芯片，通過增加相應的模塊搭建通用的軟件無線電平臺。 軟件無線電原理框圖如圖3所示。信號獲取模塊采用兩片ADC和DAC以實現IQ兩路信號的數模轉換；通信模塊由以太網和USBRS232接口組成；擴展卡可以是射頻發(fā)射機或接收機，通過擴展卡接口與母板相連；JTAG接口提供在線編程和內部測試功能；存儲器件包括512 MB DDR3內存和128 MB平臺Flash,分別用于動態(tài)數據存儲和配置FPGA;人機接口由LED/LCD、按鍵和開關等元件組成，實現人機對話；200 MHz有源晶振和SMA時鐘接口組成時鐘輸入模塊，向FPGA提供時鐘基準；8通道PCIE接口和IP核實現平臺與PC間高速數據交換。 圖3 軟件無線電原理框圖 3 雙緩沖模式PCIE總線設計 3.1 PCIE驅動設計 PC端基于Linux（Ubuntu 10.10）操作系統(tǒng)。該操作系統(tǒng)免費開源，安全穩(wěn)定靈活，適合低成本軟件開發(fā)。驅動程序包含數據流接口和控制接口。數據流接口用于Linux用戶空間和SRSE平臺間高速的數據交換；控制接口使用戶可以觀察和配置SRSE平臺寄存器，例如通過控制接口，用戶可以在PC端改變SRSE平臺的調諧頻率等參數。數據流接口是雙向獨立的，支持雙/單工，即可以同時讀和寫數據。以數據發(fā)送（從PC到SRSE）為例，用戶空間調用write（）函數將任意數量的數據發(fā)送至驅動，驅動整理數據碎片以滿足PCIE對數據對齊和傳輸塊數據量的要求。當數據滿足4096字節(jié)，驅動將數據塊發(fā)送至Root Complex并保留已發(fā)送數據的列表，等待接收來自SRSE平臺的寫操作中斷。PCIE驅動數據接收的原理如圖4所示。當用戶空間調用read（）函數或者驅動接收到來自PCIE設備的數據時，驅動初始化讀操作。驅動程序將保持阻塞（blocking），直到用戶空間調用read（）函數，并且已接收到足夠的數據包，從而能夠填滿read（）請求的數據量。碎片整理模塊對已接收的數據進行整理，然后將數據塊返回至用戶空間，并通知其解除驅動阻止。[!--empirenews.page--] 圖4 PCIE驅動中的數據接收 3.2 PCIE核配置 Virtex6 PCIE Endpoint Block[4]集成了傳輸層（TL）、數據鏈路層（DLL）和物理層（PL）協(xié)議，它完全符合PCIE基本規(guī)范，可配置性增加了設計的靈活性，降低了成本。其功能框圖與接口如圖5所示。其中收發(fā)器通過PCIE總線與Root Complex實現數據包的傳遞，PCIE總線由系統(tǒng)接口和PCIE接口組成；系統(tǒng)接口由復位和時鐘信號組成，PCIE接口由8條差分傳輸和接收對組成（8lane）。TX/RX Block RAM用來存儲來自DMA引擎和系統(tǒng)內存的數據，其大小可以通過Xilinx Core Generator配置。傳輸接口為用戶提供了產生和接收TLP的機制；物理層接口使用戶能夠觀測和控制鏈路的狀態(tài)；配置接口使用戶能夠觀察和配置PCIE終端的配置空間，即DMA寄存器；中斷接口實現DMA與PCIE核之間的中斷傳輸。用戶通過這些接口設計符合其需要的DMA引擎。 圖5 PCIE功能框圖與接口 本文使用Xilinx CORE Generator生成PCIE核，其主要配置參數如表1所列。 表1 PCIE核主要配置參數 3.3 總線主控DMA傳輸 參考Xilinx應用實例XAPP1052[5],本文設計的DMA結構框圖如圖6所示，各部分功能介紹如下： ?、?發(fā)射引擎。發(fā)射引擎產生傳輸層數據包（TLP）并通過傳輸接口發(fā)送至PCIE核，數據包的數據來自TX_FIFO,頭信息來自DMA控制/狀態(tài)寄存器，也負責驅動對DMA寄存器的讀取。 ② 接收引擎。接收引擎將來自上位機的數據包解碼并轉存至RX_FIFO中，也接收來自驅動的配置信息并將寄存器值寫入DMA控制/狀態(tài)寄存器中。 ③ DMA控制/狀態(tài)寄存器。該模塊是DMA的主控制器，控制著DMA復位、讀寫等操作；內存緩沖區(qū)的地址信息和TLP包長度等信息也存儲在該寄存器中。 ?、?MSI中斷控制器。該模塊產生讀寫中斷，然后通過中斷接口通知PCIE核，進而通知驅動程序。 ?、?TX/RX_FIFO.通過Xilinx Core Generator將FIFO配置為獨立時鐘異步模式，實現不同時鐘域的數據緩沖和位寬轉換。本文PCIE時鐘為250 MHz、位寬64位，而DSP核時鐘為200 MHz、位寬32位。 ?、?PCIE核。該模塊為例化的PCIE集成塊，框圖和參數詳見圖5和表1. ?、?DSP核。該模塊為用戶設計的算法或者功能模塊，例如通過Simulink調用Xilinx庫實現某種功能。 圖6 DMA結構框圖 3.4 雙緩沖PCIE協(xié)議 以寫操作為例，雙緩沖PCIE協(xié)議如圖7所示。初始化時，驅動程序在內存中分配兩塊緩沖區(qū)Buff 1a/2a,然后將Buff 1a的地址信息寫入DMA控制/狀態(tài)寄存器DMA_Reg1（圖1）中并開始寫操作；DMA引擎將FIFO中的數據以數據包的形式通過PCIE總線發(fā)送至緩沖區(qū)Buff 1a中，期間驅動程序將Buff 2a的地址信息發(fā)送至DMA控制/狀態(tài)寄存器DMA_Reg2中；當Buff 1a寫操作完成時，MSI中斷控制器產生MSI中斷并通知驅動，此時驅動和DMA控制器同時切換緩沖區(qū)，即驅動將緩沖區(qū)切換至Buff 2a,DMA控制器將TLP頭信息切換至DMA_Reg2,如此繼續(xù)傳輸數據。 圖7 雙緩沖PCIE操作協(xié)議（寫操作） 將MSI中斷與新緩沖區(qū)配置間的時間間隔稱為中斷延時，如圖2和圖7所示。雙緩沖模式的引入消除了中斷延時的影響，使SRSE在中斷延時期間仍能傳輸數據，節(jié)約了硬件資源，驅動程序也有更多時間來處理緩沖區(qū)的數據。 4 PCIE調試與性能 提供了Root Port的Test Bench,它可以模擬PC和驅動程序，如初始化DMA引擎、產生下行數據流并發(fā)送至PCIE設備，也可以接收來自PCIE設備的上行數據流等，使整個系統(tǒng)（PCIE核+DMA引擎+DSP核）可以在Modelsim SE環(huán)境下仿真。這大大縮短了開發(fā)周期，提高了開發(fā)效率。功能仿真通過后，使用Xilinx ISE 軟件完成代碼的輸入、綜合、實現、驗證和下載。 硬件平臺為DELL T3400型PC和Xilinx ML605開發(fā)套件。PC端基于Ubuntu 10.10操作系統(tǒng)運行驅動程序，FPGA端DSP核（圖6）通過Matlab Simulink調用Xilinx元件庫實現。本文DSP核由32位計數器和加法器組成：計數器將值寫入TX_FIFO,PC端檢測接收數據以驗證寫操作（SRSE→PC）；同樣地，PC端產生+1計數值并將數據寫入RX_FIFO,DSP核的加法器用來驗證讀操作（PC→SRSE）。 結語 本文設計了基于Xilinx Virtex6 FPGA的通用軟件無線電平臺，利用C語言開發(fā)了基于Linux系統(tǒng)的驅動程序，利用Verilog語言設計基于Xilinx PCIE硬核的雙緩沖DMA控制器。雙緩沖消除了中斷延時的影響，節(jié)約了硬件資源，提高了數據傳輸速度。
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