一种64位高速PCI总线接口的设计与实现

摘要：设计了一种基于PCD656的高速PCI总线接口，数据传输主要为DMA方式。文中介绍了PCI9656的内部结构和功能，讨论了其WDM驱动开发过程，分析了其局部总线在进行DMA传输时的配置时序，提出了一些设计中需要注意的问题。实际应用结果表明，该总线接口性能稳定且优良，可以应用于高速数据传输系统。
关键词：PCI9656；PCI总线接口；WDM驱动开发；DMA传输

现代雷达信号处理具有数据量大、实时性高等特点，而总线传输的效率决定了系统的性能，目前普遍使用标准化的PCI总线技术，以便升级更新。为加快产品开发和降低设计难度，一般有两种解决方法：采用通用的PCI芯片或IP核。目前常用的PCI芯片如PCD054、PCD052等虽然性能稳定、使用方便，但它们只适用33 MHz、32位总线接口，受时序设计和应用程序效率等影响，总线传输速度约稳定在70 MB·s-1；使用IP核虽可以兼容66 Hz、64位总线且节省板卡面积，但其价格昂贵不利于高校及中小企业推广使用。而PCI9656适用于66 MHz、64位的PCI总线，因此逐渐成为总线开发的主流元器件，使得总线传输速度达到了150 MB·s-1甚至更高。
本文利用高效PCI芯片和FPGA设计了一款64位总线传输接口电路，传输速度达到212 MB·s-1，较以往总线传输速度有了较大地提高，满足了目前高速数据传输系统的要求。

1 PCI总线接口架构
本系统主要由PCI9656和FPGA构成，系统框图如图1所示。当主机发起读写操作时PCI9656需要响应其操作，并将相应命令发送到FPGA进行处理，FPGA进行处理后将数据和命令通过PCI9656回传给主机。PCI9656与主机之间的通信需要相应的设备驱动程序支持，而FPGA响应主机命令则需要配置相应的局部时序。因此，本设计主要的工作为设备驱动程序的开发和FPGA局部时序的设计。

2 PCI9656性能概述
PCI9656是PLX公司推出的一款兼容32位和64位PCI总线标准的桥接芯片，采用PLX数据流水线结构(Data Pipe Architecture)，内部配有DMA控制器、可编程主模式传输及从模式传输；内部有PCI优先判决器，可以支持外部7个外部主控器；可由本地中断信号LINTi和LINTo生成一个PCI中断信号INTA；本地时钟独立于PCI时钟工作；支持位宽为8位、16位和32位的66，MHz本地总线。PCI9656寄存器与PCI9054寄存器兼容，可容易地进行基于32位PCI总线与基于64位PCI总线的软件移植。
PCI 9656具有6条独立的数据通道，分别支持Direct Master、Direct Slave以及DMA功能模式下的数据传输。
(1)Direct Master模式。用于局部总线到PCI(CompactPCI)的数据传输，主控设备在局部总线端。16 QWord(128 Byte)和32 QWords(256Byte)的FIFO各应用于数据的读、写通道。
(2)Direct Slave模式。用于PCI(CompactPCI)到局部总线的数据传输，主控设备在PCI端。16QWords(128 Byte)和32 QWords(256 Byte)的FIFO各应用于数据的读、写通道。
(3)DMA模式。DMA传输时PCI9656同时是PCI和局部总线的主控设备，PCI 9656有两条DMA通道(Channel 0、Channel 1)，每条通道都由一DMA控制器和32 QWords(256 Byte)双向FIFO组成。其DMA方式有常规的块模式(Block Mode)、集散模式(Scatter／Gather Mode)和命令模式(Demand Mode)。
在局部总线端，根据不同的处理器PCI9656有3种工作模式。
(1)M模式。支持Motorola 32 bit的处理器，提供了可与MPC850／860 PowerQUICC直接相连的接口。
(2)C模式。适合大多数处理器的通用模式，比如常用的FPGA，在本设计中采用此模式。
(3)J模式。与C模式类似，但其地址线与数据线复用。

3 总线设备驱动开发
在Windows环境下开发PCI设备驱动程序主要有两种模型，即WinDriver和WDM。本设计使用了WDM驱动模型。开发PCI设备驱动程序WDM需要处理：硬件访问、中断处理和DMA传输3方面问题。
3．1 硬件访问
X86处理器有两种独立的映射空间：I／O空间和内存空间，I／O空间只能通过I／O指令来访问，KIoRange类封装了对I／O空间的操作命令。对于设计的PCI设备，可以通过实例化KIoRange类来对I／O空间进行相应的操作。
对于PCI设备可以使用KMemoryRange类对内存进行相应操作，具体操作与KIoRange类对I／O空间的操作相似。
3．2 中断处理
驱动程序使用KInterrupt类来实现对中断操作的处理，其中包括中断的初始化、将一个中断服务例程连接到一个中断和解除其连接等。
中断服务例程不是KInterrupt类的成员函数，这是为了减少中断延迟时间。中断处理需要中断服务例程和延迟过程调用例程，在中断服务例程中，首先判断该中断是否是自己设备产生的，若不是，则返回False；若是，则请求一个延迟过程调用例程(DPC)。
3．3 DMA传输
PCI9656使用DMA方式进行数据传输。实现DMA传输需要3个类：KDmaAdapter，KDmaTransfer和KCommonDmaBuffer。其中，KDmaAdapter类用于建立一个DMA适配器，它说明了DMA通道的特性，如总线宽度，单次传输最大个数等，需要注意的是本设备使用的是64位总线宽度，因此需要特别指出；KDmaTransfer类用于DMA传输控制，如传输开始、传输字节数等；KCommonDmaBuffer类用于申请系统提供的公共缓冲区。具体DMA传输设置如下