SOPC在PCI总线高速数据传输系统中设计应用

　　本文针对一体化侦察通信接收机高速数据传输的需求，提出了一种基于SOPC实现PCI总线高速传输系统的设计方案。该方案将PCI桥与用户逻辑集成到一片FPGA上，并利用片上CPU实现了DMA控制器的自动配置和总线异常处理，提高了系统数据速率。经硬件平台验证，该设计能够实现大于100M bytes/s的PCI总线传输速率。

随着战场电磁环境复杂程度越来越高，侦察与通信系统的融合成为一种必然的发展趋势。数据量大、算法复杂是数字化侦察接收系统的主要特征。使用DSP和FPGA进行高速信号谱分析、滤波等预处理，借助通用计算机平台实现信号的分选、显示等后处理是一种理想的系统设计方案。因此，如何构建与PC机间的高速数据通道，便成了侦察接收系统设计中的关键问题之一。PCI （Peripheral CompONent Interconnect）总线，即外围部件互连总线，是目前应用最广泛的一种高速同步总线，在32位总线宽度33Mz时钟下，其理论最大传输速率可达132Mbyte/s （64位总线宽度66MHz时可达到528Mbyte/s），因此成为上述侦察接收系统中高传输速率、低成本PC接口的首选实现方式。目前，实现PCI总线接口的常用方法有两种：一是采用专门的PCI桥芯片实现PCI接口，如PLX公司的PCI905X系列芯片等；二是使用可编程芯片实现PCI接口。

随着集成电路技术的发展，可编程芯片成本越来越低、资源越来越丰富，用户可将PCI桥和其它用户逻辑在一片可编程芯片上实现，其中后者不需要额外的PCI桥芯片，系统硬件电路得以简化，系统的稳定性和可靠性更高，进而可以缩短系统开发周期。基于以上考虑，本文提出一种采用可编程片上系统（SySTem-On-Programmable-Chip,SOPC）实现侦察接收机PCI总线高速数据传输系统的设计方案，并采用直接存储器访问（DIRect Memory Access,DMA）传输方式来提高数据传输速率。

1 PCI总线接口方案设计

在PCI总线接口标准中，根据数据传输的发起者所在位置，PCI接口有从模式和主模式两种工作模式。根据工作方式的不同，DMA传输方式可分为连续式DMA （Continuous DMA）和集散式DMA（Scatter-Gather DMA）两种。

1.1 PCI模式的选择

PCI总线标准中，由PC发起数据传输、读/写PCI接口卡的模式称为从模式。这种模式只要求PCI接口设备具备PCI从设备的功能，接口逻辑相对较简单；主模式是由PCI接口卡主动读写PC内存，PCI接口的逻辑相对复杂。频繁地要求PC发起数据传输会占用PC的资源，为了减少PC的负担，使其有更多的资源用于后续的数字信号处理，在侦察接收系统中，PCI接口卡的传输模式选择主传输模式。

1.2 DMA传输方式的选择

DMA是提高数据传输速率和微处理器使用效率的一种数据传输机制。连续式DMA用于实现连续数据块的传输，即在一次DMA传输中设备端读/写物理地址连续变化（读存储器空间）或不变化（读IO口），PC端的物理存储地址连续变化。集散式DMA用于实现不连续数据块的传输，各传输数据块的起始读/写地址和长度都可以不同，它采用一个寄存器链表存储每个数据块的读/写起始地址和长度，DMA传输过程中自动从该链表加载地址和长度信息。集散模式DMA应用灵活，其缺点是在传输完一个数据块之后要重新配置DMA控制寄存器的值，速度比连续模式稍慢。在侦察接收系统中，DMA传输模式选择连续式传输模式。

1.3 PCI总线DMA传输方案设计

PCI接口总体结构框图如图1所示。数据输入到乒乓RAM缓冲区，乒乓切换信号通知CPU数据准备好，CPU通过PCI桥的控制状态寄存器判断PC端是否备妥，如PC备妥则配置并启动DMA控制器，DMA控制器读口从乒乓RAM中读数据，写口将数据写至PCI总线访问端，PCI总线接口单元申请并获得PCI总线访问权，将数据送上PCI总线。

2 PCI总线接口的SOPC实现

SOPC是Ahera公司提出的一种灵活、高效的片上系统解决方案，它将处理器、存储器、I/O口以及一些通用的功能模块集成在一个PLD器件上，构成一个可编程的片上系统。利用SOPC开发侦察接收机中的PCI总线接口，具有开发周期短、系统稳定性好的优点。

2.1 系统实现

PCI总线接口的SOPC内部结构如图2所示。实现PCI总线DMA传输系统使用到4类功能模块，分别是实现PCI桥逻辑的pci_comiler组件（pci_c ompiler）、负责数据传输的DMA控制器（dma）、控制整个SOPC的NiosII处理器（cpu）及其数据程序存储器（onchip_mem），以及SOPC和外部用户逻辑通信的接口模块（BA1、DMARD和datardy），上述组件通过avalon总线连接在一起组成SOPC。

PCI总线DMA传输系统功能模块之间的交互过程如图3所示，过程描述如下：

（1）CPU等待PC使能DMA传输，PC使能DMA后，执行（2）；

（2）PC等