FPGA的双缓冲模式PCI Express总线设计
引言
近年来软件无线电（SDR）得到了飞速的发展，在很多领域已显示出其优越性。本文的项目背景是通过软件无线电方式实现数字音频广播（DAB）的基带信号处理，这要求软件无线电平台具有高速实时数字信号处理与传输能力。高速可编程逻辑器件（FPGA）和丰富的IP核提供了能高效实现软件无线电技术的理想平台。
1 PCIE总线方案论证
PCIE是第3代I/O总线互联技术，如今已成为个人电脑和工业设备中主要的标准互联总线。与传统的并行PCI总线相比，PCIE采用串行总线点对点连接，具有更高的传输速率和可扩展性。例如本文采用的8通道1代PCIE 2.0硬核的理论传输速率是4 GB/s[1]，其总线位宽亦可根据需求选择×1、×2、×4和×8通道。与其他的串行接口（如RapidIO和Hypertransport）相比，PCIE具有更好的性能和更高的灵活性[2]。
1.1 PCIE总线实现方式
目前，PCI Express总线的实现方式主要有两种：基于专用接口芯片ASIC和基于IP核的可编程逻辑器件FPGA方案。前者通常采用ASIC+FPGA/DSP的组合方式，专用PCIE接口芯片（如PEX8311）避免用户过多地接触PCIE协议，降低了开发难度；但其硬件电路设计复杂，功能固定，灵活性和可扩展性较差。后者使用IP核实现PCIE协议，用户可以开发其所需的功能和驱动，具有可编程性和可重配置能力；另外,单片FPGA降低了成本和电路复杂程度，更符合片上系统（SoC）的设计思想。本文采用Xilinx公司Virtex6 FPGA和PCIE集成块，实现双缓冲模式的高速PCIE接口设计。
1.2 双缓冲与单缓冲比较
以写操作（数据从FPGA到内存）为例，双缓冲PCIE系统框图如图1所示。为描述方便，将该FPGA片上系统命名为SRSE(Software Radio System with PCI Express)。
图1 双缓冲PCIE系统框图
PC端的驱动程序在系统内存上为SRSE分配了两个缓冲区（WR_BUF1/2）用于数据存储，这两个缓冲区的地址信息分别存储在FPGA端的DMA寄存器（DAM_Reg1/2）中。Root Complex连接CPU、内存和PCIE器件，它代表CPU产生传输请求[3]；PCIE核是Xilinx公司提供的集成块程序，实现PCIE协议的处理；DMA（直接存储器访问）引擎用于实现DSP核和PCIE器件间的高速数据存储与交换；DSP（数字信号处理）核是用户设计的算法或应用程序。以图1为例，DSP核将产生的数据写入TX_FIFO，DMA引擎将数据以传输层数据包（TLP）的形式发送至PCIE核，其中数据包的头信息来自寄存器DMA_Reg1。当SRSE将数据写入缓冲区WR_BUF1时，驱动分配另外一块缓冲区WR_BUF2并将该缓冲区的地址信息写入寄存器DMA_Reg2中；当DMA引擎发出WR_BUF1的写操作消息中断（MSI）后，DMA控制器将数据包的头信息切换至DMA_Reg2，驱动将缓冲区切换至WR_BUF2，继续传输数据。
图2 PCIE总线中断延迟测量
与双缓冲相对应的是单缓冲模式。以写操作为例，驱动程序每次在内存上分配一个缓冲区WR_BUF，该缓冲区的地址信息存储在DMA寄存器DMA_Reg中。当写满缓冲区WR_BUF时，DMA引擎会产生MSI中断，并通过PCIE核通知驱动程序。驱动分配新的缓冲区，并将该缓冲区地址通过PCIE总线写入DMA寄存器DMA_Reg中。中断的传输和DMA寄存器的更新会产生一定延时，这需要较大的TX_FIFO来存取延时期间DSP核产生的数据。
为精确测量中断延时时间，搭建了基于DELL T3400型PC和ML605开发套件的平台，通过ChipScope观察的波形结果如图2所示。DMA中断发生在时刻0（mwr_done:0﹥1）；然后PCIE核向驱动发出MSI中断，驱动程序查询中断寄存器发生在时刻2241（irq_wr_accessed:1﹥0）；驱动程序分配新的内存缓冲区，然后更新DMA寄存器发生在时刻2802（wr_dma_buff0_rdy:0﹥1）。在这2802个时钟周期内，PCIE器件无法将数据写入内存。PCIE的时钟频率为250 MHz，所以中断延时T=2802×（1/250 MHz）=11.2 μs。假定DSP核产生数据的速率为200 MB/s，中断延时期间将产生11.2 μs×200 MB/s=2241 B大小的数据。考虑到其他不可预测因素，如中断堵塞等，为了不丢失数据，TX_FIFO至少需要几KB的空间。这对于FPGA内宝贵的硬件资源（如Block RAM）来说是严峻的挑战。
与单缓冲模式相比，双缓冲模式优点归纳如下：
① 更新缓冲区不会引入中断延时，这意味着较小的FIFO即可满足需求，节约了硬件资源。
② 双缓冲模式延长了驱动程序处理中断的时间，也使缓冲区数据的处理更加容易，丢包率大大减小。
③ 数据的传输和内存缓冲区的数据处理可以并行处理，系统的实时性得到保证。
④ 双缓冲更适合Scatter/Gather DMA，取代block DMA，从而提高内存效率。
2 软件无线电平台设计
软件无线电基于可编程、可重构的通用硬件平台，通过加载不同的软件实现不同的无线电功能，广泛应用于军用和民用领域。为了能够实现复杂的算法，其平台需要具备高速数据交换和实时信号处理的能力。该设计参考Xilinx ML605开发套件，基于Xilinx Virtex6 LX240T FPGA芯片，通过增加相应的模块搭建通用的软件无线电平台。
软件无线电原理框图如图3所示。信号获取模块采用两片ADC和DAC以实现IQ两路信号的数模转换；通信模块由以太网和USBRS232接口组成；扩展卡可以是射频发射机或接收机，通过扩展卡接口与母板相连；JTAG接口提供在线编程和内部测试功能；存储器件包括512 MB DDR3内存和128 MB平台Flash，分别用于动态数据存储和配置FPGA；人机接口由LED/LCD、按键和开关等元件组成，实现人机对话；200 MHz有源晶振和SMA时钟接口组成时钟输入模块，向FPGA提供时钟基准；8通道PCIE接口和IP核实现平台与PC间高速数据交换。
图3 软件无线电原理框图
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