基于PCI总线的雷达视频高速数据采集接口设计

　引 言

　　PCI 总线(Peripheral Component Interconnect)是Intel公司推出的一种高性能32／64位局部总线，最大数据传输速率为132～264MB／s，是目前使用较为广泛的一种总线。在高速信号的实时处理中，利用PCI总线将采集数据直接传送到微机系统内存，可有效解决数据的实时传输和存储，为信号的实时处理提供方便。利用 PCI总线进行高速数据采集，可以简化电路设计，而且这种高速数据采集接口模块可以在多次设计中重复使用，缩短产品的研发周期。在此通过对专用接口芯片 PCI9054的性能分析，特别是对单周期读、写和存储器映射传输操作的时序进行了分析，提出了一种新的包括PCI9054单周期读、写和存储器映射传输的设计，并讨论了通用PCI总线高速数据采集卡的实现方案。

　　1 PCI9054性能简介

　　PCI9054 是PLX公司推出的一种32位33 MHz的PCI总线控制器。它采用多种先进技术．可以将复杂的PCI接口应用设计变得简单。利用PCI9054灵活的局部总线可以方便地连接多种存储器、 I／O外围设备和CPU，其中包括与Motorola公司的MPC860和Intel公司的960和IBM公司的PPC401等处理器之间的直接连接。 PCI9054可广泛应用于Motorola公司的MPC 860适配器设计、Compact PCI热交换适配器设计、PCI总线主控适配器和嵌入式主机等设计系统中。PCI9054的本地总线时钟可与PCI总线时钟异步，本地总线有三种工作模式：M模式、C模式和J模式，可方便地与多种微处理器连接。其中，在C模式下，本地总线(Local Bus)为非复用的32 b地址与数据总线，时序与控制比较简单。PCI9054还有三种数据传送方式，即PCI主发起、PCI从目标、DMA方式。PCI从目标即PCI9054 作为PCI总线的从设备，由总线上的其他主设备向它传送数据；在PCI9054的本地总线端，PCI9054又作为主设备，向本地的存储空间和I／O空间传送数据。在设计本地总线的数据传送接口时，主要有两项工作，一是需要对PCI空间到本地空间，或本地空间到PCI空间的地址映射，进行相应的存储器配置；二是根据PCI9054提供的本地总线控制信号设计本地总线的逻辑控制功能，实现相应的数据传送时序。

　　2 数据采集卡PCI接口电路设计

　　PCI 总线规范定义了严格的电气特性和时序要求，它要求在接口卡和终端设备之间有一个总线接口控制器，采用某些公司提供的专用接口芯片，如PLX公司的 PCI9080，PCI9054和AMCC公司的S5933，S5920等。使用它只需要设计用户接口逻辑和配置电路。大大减少了开发人员的工作量，且功能强，使用灵活。

　　该设计采用PCI9054+FPGA实现高速数据传输接口。PCI9054能实现复杂的PCI总线规范2．2版，支持重要产品数据(VPD)配置，支持双地址周期，可编程中断生成，可编程突发管理，存储器映射传输，具有可选的串行E2PROM接口，并支持Compact PCI和热交换功能，性能卓越，使用方便。FPGA用来配合PCI9054的Local总线控制信号，实现Local总线端的数据传送。E2PROM接口直接连接一个E2PROM来初始化配置PCI9054。整个板卡的逻辑结构框图如图1所示。

　
2．1 FPGA内部控制

　　采样控制电路主要完成视频信号和动目标信号采样，并对采样值进行处理。设计的FPGA采用Altera公司的FLEX系列中的EPF1OK20芯片，并采用该公司与之配套的配置设备EPC2芯片来完成采样后的数据处理。在FPGA内部，根据由网络传过来高低、方位及自定义的差分信号传送时钟、串行帧同步、串行数据、模式字，对采样数据进行相关处理和小目标的放大。当信号小于一定值，则认为没有信号；信号值落在某一区间，为了观察方便要将其放大。FPGA同时完成各种自检信号的产生、A／D的控制信号、以及各种读写时序。Local总线与外部的I／O部分，用锁存器(如74F574)接口数据通路，用双向通路(如74LS245)接口控制信号线。具体框图如图2所示。

2．2 存储器映射传输

　　基于PCI9054的存储器映射传输是核心部分。根据配置寄存器配置的Local总线三个空间的大小以及三个空间的基地址，把数据写到相应的存储空间。计算机操作系统识别板卡正确后，自动分配存储空间给本卡，应用软件应用计算机自动分配的存储空间进行编程，完成所需要的功能。 REQ，GNT，LHOLD，LHOL-DA为PCI BUS和LocaI BUS的仲裁信号，IRDY和TRDY分别为主设备准备好信号和从设备准备好信号，当两者同时有效时，才能真正进行数据传输。板卡复位或上电时，PCI9054自动装载E2PROM中的配置信息，同时EPC2自动配置EPF10K20，即装载程序入FP-GA。芯片PCI9054已经整合了 PCI协议，实现了PCI总线的接口。整个板卡设计的关键工作就在于FPGA程序的设计、PCI9054的配置和板卡驱动程序的编写。PCI9054的正确配置是其正常工作的关键，PC操作系统在开机扫描总线时，正确的配置信息使操作系统正确识别板卡，并提示安装驱动程序。如果配置不正确或不完整，则操作系统将找不到板卡，并且可能死机。单靠硬件无法将数据送到内存供显示读数设备所用，设备驱动程序是连接到板卡的软件接口。该设计中，设备驱动程序的基本功能就是完成设备的初始化，对端口的读写操作，对中断的设置、响应和调用，以及对内存和接口设备存储器空间的直接读写。这里选用的驱动程序开发工具是 Windrive。Windrive与DDK和VtoolsD相比，适应面比较窄，但是它主要针对ISA／PCI插卡，还包含一个代码生成器 Windrive Wizward和针对于PCI9054的函数，所以开发比较简单，周期比较短。文献[4，5]在设计驱动程序之前，对欲控制的硬件设备进行了细致的分析，详细了解硬件设备的特性。硬件设备的特性对驱动程序设计会产生重大的影响。需要了解的最主要特性有：

　　设备的总线结构，该设计中即PCI总线；

　　寄存器，该设计中即配置的PCI9054寄存器的值；

　　设备的错误和状态，了解如何判断设备的状态和错误信号，通过驱动程序返回给用户程序；

　　中断行为，了解设备产生中断的条件和使用中断的数量；

　　数据传输机制，是I／O传输、DMA传输，还是存储器映射传输；

　　设备内存，RAM的容量，与系统总线(PCI)对应的基地址和范围。