現代雷達信號處理具有數據量大、實時性高等特點，而總線傳輸的效率決定了系統的性能，目前普遍使用標準化的PCI總線技術，以便升級更新。為加快產品開發和降低設計難度，一般有兩種解決方法：采用通用的PCI芯片或IP核。目前常用的PCI芯片如PCD054、PCD052等雖然性能穩定、使用方便，但它們只適用33 MHz、32位總線接口，受時序設計和應用程序效率等影響，總線傳輸速度約穩定在70 MB·s-1；使用IP核雖可以兼容66 Hz、64位總線且節省板卡面積，但其價格昂貴不利于高校及中小企業推廣使用。而PCI9656適用于66 MHz、64位的PCI總線，因此逐漸成為總線開發的主流元器件，使得總線傳輸速度達到了150 MB·s-1甚至更高。
本文利用高效PCI芯片和FPGA設計了一款64位總線傳輸接口電路，傳輸速度達到212 MB·s-1，較以往總線傳輸速度有了較大地提高，滿足了目前高速數據傳輸系統的要求。
1 PCI總線接口架構
本系統主要由PCI9656和FPGA構成，系統框圖如圖1所示。當主機發起讀寫操作時PCI9656需要響應其操作，并將相應命令發送到FPGA進行處理，FPGA進行處理后將數據和命令通過PCI9656回傳給主機。PCI9656與主機之間的通信需要相應的設備驅動程序支持，而FPGA響應主機命令則需要配置相應的局部時序。因此，本設計主要的工作為設備驅動程序的開發和FPGA局部時序的設計。
圖1 總體傳輸系統框圖
2 PCI9656性能概述
PCI9656是PLX公司推出的一款兼容32位和64位PCI總線標準的橋接芯片，采用PLX數據流水線結構（Data Pipe Architecture），內部配有DMA控制器、可編程主模式傳輸及從模式傳輸；內部有PCI優先判決器，可以支持外部7個外部主控器；可由本地中斷信號LINTi和LINTo生成一個PCI中斷信號INTA；本地時鐘獨立于PCI時鐘工作；支持位寬為8位、16位和32位的66，MHz本地總線。PCI9656寄存器與PCI9054寄存器兼容，可容易地進行基于32位PCI總線與基于64位PCI總線的軟件移植。
PCI 9656具有6條獨立的數據通道，分別支持Direct Master、Direct Slave以及DMA功能模式下的數據傳輸。
（1）Direct Master模式。用于局部總線到PCI（CompactPCI）的數據傳輸，主控設備在局部總線端。16 QWord（128 Byte）和32 QWords（256Byte）的FIFO各應用于數據的讀、寫通道。
（2）Direct Slave模式。用于PCI（CompactPCI）到局部總線的數據傳輸，主控設備在PCI端。16QWords（128 Byte）和32 QWords（256 Byte）的FIFO各應用于數據的讀、寫通道。
（3）DMA模式。DMA傳輸時PCI9656同時是PCI和局部總線的主控設備，PCI 9656有兩條DMA通道（Channel 0、Channel 1），每條通道都由一DMA控制器和32 QWords（256 Byte）雙向FIFO組成。其DMA方式有常規的塊模式（Block Mode）、集散模式（Scatter／Gather Mode）和命令模式（Demand Mode）。
在局部總線端，根據不同的處理器PCI9656有3種工作模式。
（1）M模式。支持Motorola 32 bit的處理器，提供了可與MPC850／860 PowerQUICC直接相連的接口。
（2）C模式。適合大多數處理器的通用模式，比如常用的FPGA，在本設計中采用此模式。
（3）J模式。與C模式類似，但其地址線與數據線復用。
3 總線設備驅動開發
在Windows環境下開發PCI設備驅動程序主要有兩種模型，即WinDriver和WDM。本設計使用了WDM驅動模型。開發PCI設備驅動程序WDM需要處理：硬件訪問、中斷處理和DMA傳輸3方面問題。
3.1 硬件訪問
X86處理器有兩種獨立的映射空間：I／O空間和內存空間，I／O空間只能通過I／O指令來訪問，KIoRange類封裝了對I／O空間的操作命令。對于設計的PCI設備，可以通過實例化KIoRange類來對I／O空間進行相應的操作。
對于PCI設備可以使用KMemoryRange類對內存進行相應操作，具體操作與KIoRange類對I／O空間的操作相似。
3.2 中斷處理
驅動程序使用KInterrupt類來實現對中斷操作的處理，其中包括中斷的初始化、將一個中斷服務例程連接到一個中斷和解除其連接等。
中斷服務例程不是KInterrupt類的成員函數，這是為了減少中斷延遲時間。中斷處理需要中斷服務例程和延遲過程調用例程，在中斷服務例程中，首先判斷該中斷是否是自己設備產生的，若不是，則返回False；若是，則請求一個延遲過程調用例程（DPC）。
3.3 DMA傳輸
PCI9656使用DMA方式進行數據傳輸。實現DMA傳輸需要3個類：KDmaAdapter，KDmaTransfer和KCommonDmaBuffer。其中，KDmaAdapter類用于建立一個DMA適配器，它說明了DMA通道的特性，如總線寬度，單次傳輸最大個數等，需要注意的是本設備使用的是64位總線寬度，因此需要特別指出；KDmaTransfer類用于DMA傳輸控制，如傳輸開始、傳輸字節數等；KCommonDmaBuffer類用于申請系統提供的公共緩沖區。具體DMA傳輸設置如下
（1）實例化三個類
OnDmaReady例程中獲取傳輸的物理內存的地址和字節數，然后設置相應的DMA寄存器值開始DMA傳輸。DMA傳輸結束后，應使m_CmxentTm-nsfer無效并刪除。具體流程如圖2所示。
圖2 DMA傳輸流程
4 局部總線端設計
本設計中，局部總線端采用了C模式。C模式下可配置3種數據傳輸方式：單周期方式（Single Cycle Mode）、4字方式（Brust-4 Mode）和連續突發傳輸方式（Continuous Mode），在本設計中采用了連續突發方式，可以有效地提高輸出效率。
PCI9656在局部總線為為主設備，始終占用局部總線，局部總線端的FPGA始終響應PCI9656的操作。方案中使用PCI9656的DMA傳輸模式，在本地端不需要進行地址譯碼，因此可以對PCI9656的控制信號進行簡化處理，PCI9656的局部端主要控制信號如下
ADS#：一次總線訪問開始；
Blast#：總線訪問結束；
LW／R#：讀寫控制信號；
Ready#：從設備準備好信號，有效時表示總線訪問進行中；
LHOLD：PCI9656占用本地總線申請信號；
LHOLDA：占用本地總線應答信號；
Wait#：主設備傳輸暫停信號；
EOT#：數據傳輸異常中止信號，用于FIFO溢出或空時中斷數據傳輸；
Lint#：用于引起CompaetPCI總線端的中斷信號；
LRST#：本地總線復位信號；
CCS#：配置寄存器選擇信號。
在DMA傳輸過程中主要關心的信號可簡化為：ADS#、Blast#、LW／R#、Ready#、LHOLD、LHOLDA，如圖3所示。
圖3 PCI局部總線控制時序
圖3中，lclk為本地總線時鐘，當PCI9656要發起一次DMA操作時，先發送lhold信號申請本地總線，若本地總線空閑則FPGA發出lholda信號響應PCI9656，然后PCI有效ads_n信號以示總線傳輸開始，FPGA使ready_n有效以示總線傳輸正在進行中，此時本地數據通過局部數據線傳送到PCI總線，或著數據由PCI總線傳送到局部邏輯。一次傳輸結束時PCI使blast_n信號有效并使lhold信號無效，然后FPGA使lholda信號和ready_n信號無效，一次DMA傳輸完成。傳輸中若是DMA讀操作則lwr信號拉低，若為寫操作則拉高。
本地總線位寬為32位，因此本地總線理論速度為264MB·s-1，由于應用程序的效率問題和傳輸中一些無效狀態的存在，目前PCI總線平均速率達到212 MB·s-1，可以滿足目前高速數據采集、傳輸對總線傳輸速度的要求。
PCI9656本地總線時序設計中需要注意blast_n信號有效說明為突發傳輸最后一個時鐘周期，此時ready_n信號仍然為有效，否則會造成總線等待；在正常讀寫訪問中CCS#信號應置高，否則總線訪問將指向配置空間而非內存或I／O空間。
5 結束語
利用PCI9656和FPGA實現了一種高速PCI總線接口，較全面地論述了總線驅動開發和局部時序設計的過程。這種設計提高了總線傳輸速度，為高速數據采集系統的實現創造了條件。