0 引言

　　PCIE總線是新一代的I/O互連標(biāo)準(zhǔn)，它可提供點(diǎn)到點(diǎn)的串行差分信號(hào)鏈路的互連設(shè)備，且具有高性能、高帶寬、雙單工等特點(diǎn)。因此，取代了早期并行PCI總線，從而滿足了發(fā)展迅速的微處理器及存儲(chǔ)器對(duì)速率和帶寬的要求。PCIE總線主要特點(diǎn)如下[1]：

　　(1)PCIE設(shè)備在電氣上使用差分驅(qū)動(dòng)器和差分接收器來(lái)發(fā)送和接收信號(hào)，一條PCIE通道（簡(jiǎn)稱x1）由兩對(duì)LVDS差分信號(hào)線來(lái)實(shí)現(xiàn)接收和發(fā)送。

　　(2)可以根據(jù)需求配置為x1，x2，x4，x8，x16，x32模式，且x1通道峰值總帶寬可達(dá)0.5 Gb/s，其余的是乘相應(yīng)通道數(shù)[2]。

　　(3)數(shù)據(jù)使用數(shù)據(jù)包的格式，在鏈路上串行傳輸，用以保障數(shù)據(jù)的可靠性及完整性。

　　通過上述PCIE總線的特點(diǎn)，總結(jié)出PCIE總線具有高速的傳輸特性，特別是在高速DMA控制器傳輸方式下[3]，具有更廣闊的應(yīng)用前景。

　　本文利用PCIE總線的高速串行傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，采用Xilinx公司V5系列的FPGA芯片[4]，基于PCIE2.0協(xié)議，設(shè)計(jì)出一個(gè)在FPGA板卡與PC之間以總線主模式DMA傳輸?shù)母咚?a class="innerlink" href="http://m.jysgc.com/tags/數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)" title="數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)" target="_blank">數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的單字讀寫及總線主模式DMA讀寫通信方式，并利用上位機(jī)軟件和ChipScope（嵌入式邏輯分析工具）觀察并驗(yàn)證了讀寫數(shù)據(jù)的正確性。該系統(tǒng)為FPGA板卡作為數(shù)據(jù)采集板奠定了基礎(chǔ)，可滿足數(shù)據(jù)采集卡對(duì)速率及正確性的需求。

1 PCIE簡(jiǎn)介

　　與網(wǎng)絡(luò)的分層協(xié)議類似，PCIE協(xié)議規(guī)范對(duì)設(shè)備的設(shè)計(jì)也采用分層的結(jié)構(gòu)，如圖1所示，從上到下有事務(wù)層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層，各層又都分為發(fā)送和接收部分。在發(fā)送部分根據(jù)設(shè)備核及應(yīng)用程序的信息，在事務(wù)層形成事務(wù)層包（TLP），然后數(shù)據(jù)鏈路層在TLP包上附加一些信息用于檢測(cè)等然后發(fā)送至下層，在物理層對(duì)其進(jìn)行8B/10B編碼然后發(fā)送至鏈路層。在接收部分是相反的操作。

　　信息以包的形式在PCIE設(shè)備間傳送，由于本設(shè)計(jì)中利用了V5芯片內(nèi)部的PCIE硬核，只有傳輸?shù)陌^和數(shù)據(jù)需要在代碼中實(shí)現(xiàn)，其余的都是PCIE硬核自動(dòng)生成并加到包頭或包尾。如圖2所示為給出的一個(gè)包頭的通用字段[5]，包頭長(zhǎng)為3DW或者4DW，分別可支持32 bit和64 bit存儲(chǔ)器尋址。PCIE協(xié)議規(guī)定Fmt指示包的格式，Type指示包的類型，根據(jù)Fmt及Type的不同組合來(lái)定義不同類型的事務(wù)包。本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)單字讀寫及DMA讀寫，因此主要使用了事務(wù)層包中的存儲(chǔ)器請(qǐng)求包及完成包兩種。如果是一個(gè)存儲(chǔ)器寫事務(wù)，請(qǐng)求者會(huì)填寫正確的TLP內(nèi)容及地址并將數(shù)據(jù)放在TLP包頭后發(fā)送給完成者，完成者會(huì)解析收到的包并將數(shù)據(jù)放到自己的存儲(chǔ)空間中。如果是一個(gè)存儲(chǔ)器讀事務(wù)，請(qǐng)求者會(huì)填寫滿足存儲(chǔ)器讀事務(wù)的Fmt及Type字段等，完成者接收到該包后會(huì)根據(jù)要求生成完成包發(fā)送給請(qǐng)求者，請(qǐng)求者解析完成包并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

　　每個(gè)PCIE設(shè)備的功能與其配置空間是相關(guān)聯(lián)的，配置空間由配置寄存器構(gòu)成，是軟件與設(shè)備硬件進(jìn)行交互與聯(lián)系的區(qū)域，是實(shí)現(xiàn)即插即用的基礎(chǔ)。軟件可通過配置空間檢測(cè)到一個(gè)PCIE設(shè)備的存在并通過它訪問該設(shè)備，為設(shè)備申請(qǐng)其需要的資源(包括存儲(chǔ)器、IO、中斷等)。

2 軟件、驅(qū)動(dòng)程序及硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 系統(tǒng)介紹

　　基于PCIE總線主模式DMA高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架圖如圖3所示，其中包括上位機(jī)軟件、COM組件、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序及硬件部分。其中上位機(jī)軟件的主要功能是顯示測(cè)試速度、DMA命令的設(shè)置與啟動(dòng)以及顯示數(shù)據(jù)結(jié)果。COM組件封裝了與驅(qū)動(dòng)程序交互的函數(shù)，使得開發(fā)層次更加分明。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序用于與PC內(nèi)根聯(lián)合體（RC）交互，最終通過根聯(lián)合體的PCIE控制器與硬件FPGA進(jìn)行通信。本文實(shí)現(xiàn)了單字讀寫及總線主模式DMA讀寫兩種模式。總線主模式指的是以硬件PCIE總線端為主，向PC寫入數(shù)據(jù)或者從PC讀出數(shù)據(jù)。

　　2.2 軟件及驅(qū)動(dòng)

　　本系統(tǒng)的上位機(jī)軟件界面采用Visual Studio2010編寫，調(diào)用COM組件使其與驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行交互，COM組件封裝了與驅(qū)動(dòng)程序交互的函數(shù)，包括打開設(shè)備、單字讀寫、DMA讀寫的函數(shù)等，可以供上層軟件使用，使用COM組件的好處是可以使得程序變得更加通用，上層的界面實(shí)現(xiàn)可以更加多樣（例如可以是MFC、VB、網(wǎng)頁(yè)或者是WIN32控制臺(tái)）。如果需要增加一些功能，那么只需修改COM組件即可，使上層程序與驅(qū)動(dòng)分離，各層的功能更加專一。

　　PCIE驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)是參考Xilinx官網(wǎng)的驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，該驅(qū)動(dòng)是基于WDM模式的，參考該驅(qū)動(dòng)作了相應(yīng)的修改，利用WDK生成Win7系統(tǒng)使用的驅(qū)動(dòng)文件并在系統(tǒng)檢測(cè)到實(shí)驗(yàn)板后加載該驅(qū)動(dòng)，使得COM組件可以實(shí)現(xiàn)單字讀寫及DMA的讀寫方式，并將DMA寫的數(shù)據(jù)在軟件界面中顯示或者保存下來(lái)。

　　2.3 硬件設(shè)計(jì)

　　硬件設(shè)計(jì)部分主要包括PCIE的硬核及應(yīng)用邏輯模塊兩部分，PCIE的硬核（IP）是利用ISE工具生成的，包括PCIE物理層及鏈路層模塊，而應(yīng)用邏輯模塊（APP）包括接收引擎模塊、發(fā)送引擎模塊及存儲(chǔ)訪問模塊。

　　2.3.1 模塊簡(jiǎn)介

　　RX_ENGINE模塊是接收引擎處理模塊，負(fù)責(zé)解析IP核的數(shù)據(jù)包以及單字讀、DMA讀接收數(shù)據(jù)包的狀態(tài)機(jī)。TX_ENGINE模塊是發(fā)送引擎處理模塊，負(fù)責(zé)單字寫、DMA寫狀態(tài)及和中斷控制。MEM模塊是存儲(chǔ)訪問模塊，里面包含DMA狀態(tài)及控制寄存器用以控制DMA讀寫，這里的寄存器是利用PIO的方式寫入的（即單字讀寫）。上層軟件在界面中設(shè)置的長(zhǎng)度、數(shù)量的值等將會(huì)寫入到這些寄存器中。本設(shè)計(jì)中使用V5芯片中自帶的PCIE IP硬核完成PCIE協(xié)議中物理層及數(shù)據(jù)鏈路層的功能。

　　2.3.2 DMA寫流程

　　由于采用的是總線主模式的DMA方式，即一次DMA寫的過程是由FPGA的RAM寫入PC的存儲(chǔ)器中，并在上位機(jī)軟件中顯示出來(lái)的過程。在TX引擎向硬核發(fā)送數(shù)據(jù)前，首先需要填充正確的TLP包頭，包頭的信息需要由上位機(jī)軟件控制。DMA寫的過程如下：

　　(1)在軟件界面中設(shè)置本次DMA寫的大小、數(shù)量、地址等及DMA寫啟動(dòng)命令。

　　(2)驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒌谝徊街性O(shè)置的內(nèi)容通過PIO（程控輸入/輸出）的方式，最終以TLP包的形式發(fā)送給硬件并寫入到MEM中的DMA狀態(tài)控制寄存器中。

　　(3)根據(jù)DMA狀態(tài)與控制寄存器的內(nèi)容，在收到DMA寫啟動(dòng)命令后，TX引擎開始從RAM中讀取數(shù)據(jù)并按第一步設(shè)置的DMA大小數(shù)量來(lái)組裝TLP包然后發(fā)送到EP模塊。在EP模塊加入鏈路層及物理層的包頭等信息后發(fā)送到主機(jī)存儲(chǔ)器中。

　　(4)COM組件將DMA寫地址的數(shù)據(jù)映射到上位機(jī)一個(gè)緩沖區(qū)中，上位機(jī)軟件通過讀取對(duì)應(yīng)地址的緩沖區(qū)數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證數(shù)據(jù)并顯示在其界面中。

　　其中TX引擎的狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程如圖4所示。在BMD_TX_RST_STATE狀態(tài)中收到寫啟動(dòng)命令后，填寫存儲(chǔ)器寫TLP包頭的前64 bit內(nèi)容，包括圖中的FMT、TYPT、LENGTH、ID等。然后跳轉(zhuǎn)進(jìn)入BMD_TX_MWR_QW1狀態(tài)，該狀態(tài)完成存儲(chǔ)器寫TLP包頭的第二個(gè)64 bit內(nèi)容，包括有地址及需要傳輸數(shù)據(jù)的高32位數(shù)據(jù)。最后跳轉(zhuǎn)進(jìn)入BMD_TX_MWR_QWN狀態(tài)來(lái)發(fā)送剩余的數(shù)據(jù)，當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)的數(shù)量達(dá)到軟件設(shè)置的DMA寫大小后，跳轉(zhuǎn)回BMD_TX_RST_STATE狀態(tài)。其他的狀態(tài)分別對(duì)應(yīng)發(fā)送單字讀完成包及存儲(chǔ)器讀包的狀態(tài)。

　　2.3.3 DMA讀流程

　　DMA讀的過程是將上位機(jī)一個(gè)存儲(chǔ)空間的數(shù)據(jù)讀入到FPGA的RAM中，從硬件的角度上看是FPGA向PC發(fā)送存儲(chǔ)器讀命令，然后PC向FPGA返回帶數(shù)據(jù)的完成包。但實(shí)現(xiàn)時(shí)是軟件設(shè)置本次DMA讀的地址、數(shù)量等然后啟動(dòng)本次傳輸，由FPGA接收數(shù)據(jù)并存入到RAM里，通過ChipScope可觀察到數(shù)據(jù)。DMA讀的過程如下：

　　(1)在軟件界面中設(shè)置本次DMA讀的地址、大小、數(shù)量等及DMA讀啟動(dòng)命令。

　　(2)這些命令通過COM組件與驅(qū)動(dòng)程序交互，并生成相應(yīng)的TLP包發(fā)送給硬件，寫入圖MEM的DMA狀態(tài)控制寄存機(jī)中。

　　(3)根據(jù)DMA狀態(tài)與控制寄存器的內(nèi)容，收到DMA讀啟動(dòng)命令后，在TX引擎中根據(jù)剛剛軟件設(shè)置的命令組裝存儲(chǔ)器讀TLP包后發(fā)送給EP模塊，在EP模塊中加入數(shù)據(jù)鏈路層及物理層所需的包頭等最后串行傳出到上位機(jī)中。

　　(4)上位機(jī)根據(jù)收到的存儲(chǔ)器讀包，在指定的地址讀取數(shù)據(jù)后形成帶數(shù)據(jù)完成包（CPLD）返回給FPGA，并存儲(chǔ)在FPGA內(nèi)的一個(gè)RAM里。

　　其中RX引擎的狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程如圖5所示。在BMD_RX_RST_STATE狀態(tài)中根據(jù)收到的包頭類型來(lái)判斷轉(zhuǎn)入的下一個(gè)狀態(tài)，如果收到的是一個(gè)完成包頭類型則轉(zhuǎn)入BMD_MEM_CPLD_FMT_TYPE狀態(tài)，從收到的包中截取完成包的大小等進(jìn)入BMD_RX_CPLD_QW1，從包中截取地址等信息后跳轉(zhuǎn)進(jìn)入BMD_RX_CPLD_QWN狀態(tài)，在這里根據(jù)軟件界面設(shè)置的DMA讀的大小將讀出的數(shù)據(jù)寫入到完成包RAM中。完成后回到BMD_RX_RST_STATE狀態(tài)。

3 仿真與實(shí)現(xiàn)結(jié)果

　　本文設(shè)計(jì)的總線主模式高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)在將硬件部分燒錄到板卡的FPGA芯片后，通過板卡的PCIE金手指插入到PC的主板上，PC重啟檢測(cè)到新的硬件插入后便可安裝對(duì)應(yīng)的PCIE驅(qū)動(dòng)文件，成功安裝去驅(qū)動(dòng)后，便可使用上位機(jī)軟件進(jìn)行測(cè)試。

　　上位機(jī)軟件界面如圖6所示，包括有單字讀寫設(shè)置模塊、DMA讀寫設(shè)置模塊、傳輸速率顯示模塊、DMA寫數(shù)據(jù)顯示模塊。

　　以一次DMA寫為例來(lái)介紹上述模塊，在軟件上設(shè)置本次DMA寫的TLP大小及TLP數(shù)量，將寫模式復(fù)選框勾選并點(diǎn)擊開始按鈕，可在界面上看到傳輸數(shù)據(jù)的結(jié)果及本次測(cè)試DMA寫的速度。

　　經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)測(cè)試，在上位機(jī)軟件界面上設(shè)置DMA讀、寫TLP事務(wù)層包（即數(shù)據(jù)包）大小為128 B，傳輸數(shù)據(jù)包的數(shù)量為16，其中某次測(cè)得的寫速度結(jié)果為3 390 Mb/s=423 MB/s，速度的大小與一次DMA傳輸?shù)腡LP數(shù)量及TLP包的大小有關(guān)。界面中顯示的周期數(shù)（Cycles）為完成本次DMA所用的Cycle數(shù)量，實(shí)驗(yàn)板上采用V5LX85t芯片，且鏈路上采用差分信號(hào)傳輸，一個(gè)cycle用時(shí)為16/1 000 000 ns，由此可計(jì)算出傳輸128 B×16×8=16 384 B的數(shù)據(jù)用時(shí)為16×302/1 000 000 ns,速度約為3 390 Mb/s即423 MB/s，分析代碼得出可能是由于存儲(chǔ)及讀取數(shù)據(jù)的過程會(huì)占用一定的時(shí)間影響速率，才使得速度沒有達(dá)到pcie中x1通道的0.5 Gb/s的峰值帶寬。將來(lái)也可根據(jù)需求將PCIE硬核配置x2、x4通道，會(huì)加快通信速率。

　　在DMA讀測(cè)試中，F(xiàn)PGA向上位機(jī)讀數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存入另一個(gè)RAM中，上位機(jī)初始化時(shí)向一片地址的緩沖區(qū)內(nèi)寫入固定的數(shù)0x12345678，利用DMA方式讀取該地址的數(shù)據(jù)，在ChipScope中可以看到寫入的數(shù)據(jù)都是12345678，如圖7所示。這里由于設(shè)定RAM是64 bit的，所以是兩個(gè)重復(fù)的數(shù)字，且由于計(jì)算機(jī)內(nèi)采用的是小端存儲(chǔ)，所以顯示的數(shù)為78563412。

　　本系統(tǒng)通過軟件、驅(qū)動(dòng)、硬件的協(xié)調(diào)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)了基于PCIE總線的高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，首先通過軟件界面設(shè)置讀寫的方式來(lái)配置硬件中的DMA狀態(tài)與控制寄存器，然后在硬件代碼中根據(jù)寄存器的內(nèi)容完成單字讀寫或DMA讀寫的過程，最后將測(cè)得的數(shù)據(jù)及速率顯示在軟件界面上。

4 結(jié)束語(yǔ)

　　本文實(shí)現(xiàn)的基于PCIE的總線主模式DMA高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)可以完成上位機(jī)與實(shí)驗(yàn)板卡通過PCIE進(jìn)行單字讀寫或DMA讀寫大量數(shù)據(jù)，并達(dá)到較高的傳輸速率，x1通道速率可穩(wěn)定在400 MB/s左右，為該實(shí)驗(yàn)板將來(lái)作為數(shù)據(jù)采集模塊采集有用數(shù)據(jù)并提供給上位機(jī)分析奠定了基礎(chǔ)。通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在FPGA中利用core_gen生成的RAM還存在一定的缺陷，如容量不夠大、占用芯片資源等問題，將來(lái)應(yīng)替換成板卡上的SDRAM，以此來(lái)提高傳輸數(shù)據(jù)的數(shù)量，將該系統(tǒng)用于實(shí)際應(yīng)用中。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 馬鳴錦，朱劍冰，何紅旗，等.PCI、PCI-X和PCI Express的原理及體系結(jié)構(gòu)[M].北京：清華大學(xué)大學(xué)出版社，2006.

　　[2] BUDRUK R.PCI Express系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)教材[M].田玉敏，王崧，張波，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2005.

　　[3] 張偉達(dá).基于PCI Express的高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)研究與開發(fā)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2009，12(17)：2555-2557.

　　[4] 王嘉良，趙曙光.用FPGA實(shí)現(xiàn)PCI-E接口和DMA控制器設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2011，21(6)：181-184.

　　[5] 任連芳.基于PCI Express總線的數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)[D].南京：南京理工大學(xué)，2010.