基于PCI Express总线的数据采集设备的实现

／O接口兼容。

3.3 硬件电路设计

采集部分硬件电路包含2个通道的ADC和触发电路，每通道ADC转换后的数据CH1[9：0]和CH2[9：0]传输到FPGA端口。PCIE接口电路包括3个部分：第1部分是PX1011A与FPGA的连接信号线，包括8位的收发信号TXD[7：0]和RXD[7：0]；控制信号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，状态信号STAT0，STAT1，STAT2和复位信号RESET。第2部分是PX1011A与PCIE接口的连接信号线，包括差分接收信号，差分发送信号，差分时钟。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。如图1所示。

PCB布线时有以下注意点：终端阻抗布线尽量降低容性；一组信号，避免在参考层断续；高速信号尽量在一层布线，且不打孔，否则要在过孔处打一个U形的地孔；微波传输带，差分信号布线线宽5 mil，间距7 mil；带状传输线，差分信号布线线宽5 mil，间距5 mil。信号之间的间距在20 mil以上，高压和边缘尖锐的信号尽量远离差分线，避免干扰。

接口上数据采用SSTL2信号发送，传送速率达到250 MB／s。每组数据发送端需串行一个25欧姆电阻，数据接收端上拉50 Ω电阻，提高信号的阻抗匹配。TD和RX每组为8位250 MB／s信号，为了减少信号间的延时误差，每组信号布线时尽量等长且减少走线长度。

3.4 Pipe Core实现PCIE总线协议

Xilinx PCI Express Pipe Core符合PCI ExpressBase Specification v1.1规范协议和电特性兼容，提供完整的端点解决方案包括物理链接与处理及配置管理模块。支持同步点对点通信，上行和下行流程控制，与PCI Express处理排序规则完全兼容。

Pipe Core数据管理包括传输层、数据链路层、物理层3个模块。这些模块包括产生和进行传输包、数据流的控制管理、物理接口初始化、并串转换以及其他的接口操作。由Pipe Core组成数据通道，并可以构成多PCI Express设备的拓扑结构。如图2所示。

4 基于WinDriver的驱动程序开发

4.1 采集设备的驱动安装

将数据采集设备安装到计算机PCI express×1插槽，启动计算机时操作系统会检测到此设备并提示添加硬件向导，忽略此提示。然后，从开始菜单选择WinDriver／DriverWizard，新建工程。此时DriverWizard将会显示所有的计算机中的即插即用设备

根据设备信息(ID号)选择所要测试的设备，如图3所示，数据采集设备ID号为0301，双击此设备，出现设备测试对话框，向指定的设备空间写入数据测试设备是否工作良好。最后由DriverWizard生成简单的驱动程序代码。

4.2 数据传输模式与配置函数

驱动程序得到从数据采集设备发送的数据，并存储在指定的内存空间，根据用户的选择可以实时显示或者存储在磁盘空间。使用WinDriver编写的驱动程序通过WinDriver内核模块与硬件进行通信，本驱动程序要实现的主要功能是从设备读取指定的数据到计算机，并根据要求发送命令到设备控制寄存器对设备的各种状态进行控制。

设备与计算机进行数据传输有2种模式：PIO模式和DMA(直接内存访问)模式。PIO模式主要实现计算机和数据采集卡之间的命令传输；DMA模式主要针对大块数据传输，传输过程中不需要经过CPU，数据直接从设备传送到内存中，数据传输的速率快，可以充分利用PCIE数据带宽。

为了能从设备中读到数据，首先应该获得设备的信息，设备信息主要包括厂家ID号，设备内存映射空间，设备所在插槽号以及其他设备专用配置信息。只有获得了设备信息才能实现对设备的访问，这些信息通过下面2个函数得到：

void WD_PciScanCards函数用于检测安装于PCIE总线上的设备。Void WD_PciGetCardInfo函数获取PCI设备的资源信息，例如内存资源，I／O资源，中断资源等。对设备信息的登记是通过结构WD_CARD_REGISTER来实现，它包含了硬件的各项信息。这些信息可以通过第一步中的2个函数获得。在确定WD_CARD_REGISTER结构后调用函数WDCardRegister向Windriver Kernel登记设备。在得到了设备信息并且向WinDriver注册了此设备后就可以在设备和计算机之间传输数据。

5 结 语

采用PCI express总线实现数据采集设备可以有效地提高数据的传输带宽，解决总线带宽不足瓶颈带来的种种问题。文中的总线设计为1个通道的PCI express，双向的读写速度为250 MB／s。后面的设计中会不断提高Pcie总线的通道数，以满足更高的总线设计需求。