文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.172445
中文引用格式： 王之光，高清運. 基于FPGA的PCIe總線接口的DMA控制器的設計[J].電子技術應用，2018，44(1)：9-12,
英文引用格式： Wang Zhiguang，Gao Qingyun. Design of DMA controller of PCIe bus interface based on FPGA[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(1)：9-12,
0 引言
隨著通信技術的不斷發展，對數據傳輸系統的速度與數據傳送質量的要求也在不斷提高。由Intel在2001年提出的第三代I/O總線技術——PCI Express總線技術，采用高速差分串行的方式進行數據傳輸，具有高帶寬、高可靠性、高拓展性等優點，很好地彌補了PCI、PCI-X總線的不足[1-3]。
本文基于PCIe 2.0協議，利用Altera Transceiver PHY IP、Synopsys PCIe Core IP和AXI總線，提出了一種DMA控制器，并搭建了一個在FPGA端和PC之間的高速數據傳輸系統。實現了寄存器讀寫操作（單字讀寫）和DMA讀寫操作，并利用Synopsys VIP環境下進行的系統仿真和上位機軟件進行觀察并驗證了數據讀寫的正確性。
1 設計方案
1.1 基礎模塊
1.1.1 Altera Stratix V GX系列FPGA與PCIe PHY IP
本設計使用Stratix V GX系列下的5SGXEA7K2F40C2N FPGA芯片[4]，該芯片內部集成了PCIe PHY IP硬核模塊。PCIe PHY IP硬核包括三個部分，如圖1，PHY IP Core for PCI Express（PIPE）集成了PCIe總線的物理層。Transceiver Reconfiguration Controller IP Core可以動態重新配置模擬參數。Transceiver PHY Reset Controller IP Core作為收發器的復位模塊，確保了PCIe鏈路的初始化[5-6]。
1.1.2 Synopsys IP與VIP
VIP顧名思義就是驗證IP（Verification IP），它為一些標準的接口提供標準的總線行為模型[7]。Synopsys公司提供了PCIe總線的Controller IP，實現了PCIe總線數據鏈路層和事務層的功能，并內置了DMA，同時也提供了針對PCIe總線的VIP，為PCIe總線提供了標準的總線行為模型，模擬了上位機的功能[8]。
1.1.3 AXI總線
AXI（Advanced eXtensible Interface）總線是一種高性能、高帶寬、低延遲的總線協議，有一個顯著的特點，地址/控制和數據通道是分開的，共有5個單向通道，分別為read address channel，write address channel，read data channel，write data channel，write response channel[9]，減少了延時，提高了DMA的效率。
1.2 總體方案設計
本設計采用的整體架構如圖2所示，為Altera PHY IP+Synopsys PCIe Core IP+AXI總線+Application。
為了利用Synopsys 的PCIe VIP環境，采用了Synopsys PCIe Core IP。在PCIe事務層和應用側之間采用了AXI總線接口，可以在以后的設計中進行方便的拓展和替換。應用側設計實現了PCIe DMA控制器的功能，并集成了兩塊RAM，一塊大小為128 DW，用來存儲寄存器讀寫的數據；另一塊大小為512 DW，用來存儲DMA讀寫的數據。
2 DMA控制器的設計與實現
2.1 應用端DMA操作流程
應用端發起的DMA操作流程如圖3所示，最終DMA讀操作實現的結果為將主機側的數據以DMA的方式寫入到應用端的內存中。DMA寫操作實現的結果為將應用端的數據以DMA的方式寫入到主機側的內存中。圖3為應用端發起的DMA操作具體的流程。
(1)主機側通過寄存器寫的方式，將DMA讀寫標志、DMA長度、DMA源和目的內存地址寫入到應用端的寄存器中；
(2)應用端中的Slave模塊將這些命令發送給Master模塊；
(3)Master模塊按照Synopsys PCIe Core IP自定義的Dbi總線的方式，再將這些命令傳送給PCIe Core IP內部的寄存器；
(4)PCIe Core IP接收DMA讀寫指令，并持續操作Master接口以實現后續操作；
(5)當為DMA讀時，PCIe Core IP的內置DMA從主機側的“源內存地址”中讀取到目標數據；當為DMA寫時，PCIe Core IP的Master接口通過AXI總線以讀的方式從“源內存地址”讀取到目標數據；
(6)當為DMA讀時，PCIe Core IP的Master獲得DMA讀取到的目標數據，并通過AXI總線，以寫的方式寫入到應用端的“目的內存地址”中；當為DMA寫時，Master獲得目標數據后，內置DMA將數據發送到主機側的“目的內存地址”中；
(7)當DMA操作完成，PCIe Core IP會通知應用端的中斷模塊；
(8)應用端的中斷模塊會向主機側提交中斷。
2.2 應用端DMA控制狀態機
應用端只需將主機側寫入的DMA讀寫標志、DMA長度、DMA源和目的內存地址以及DMA啟動信號寫入到PCIe Core IP中的內部寄存器，并等待DMA操作的完成，給出中斷信號。
下面為應用端詳細的DMA控制狀態機，如圖4所示，狀態機把DMA讀操作和DMA寫操作整合到了一起，減少了代碼量。
(1)IDLEPHASE：空閑狀態。當啟動信號start_flag有效時，跳轉ENGINE_ENABLE狀態；
(2)ENGINE_ENABLE：判斷DMA讀寫類型信號wr_rdn_flg，當wr_rdn_flg為0，即為DMA讀(PC到FPGA)時，使能DMA讀引擎；當wr_rdn_flg為1，即為DMA寫(FPGA到PC)時，使能DMA寫引擎；
(3)DMA_TRANS_SIZE：設置DMA數據傳輸長度，最多一次傳輸512 DW，最少一次傳輸1 DW；
(4)DMA_SAR：設置DMA操作源地址(當為DMA讀時，源地址為主機端地址；當為DMA寫時，源地址為應用端地址)；
(5)DMA_DAR：設置DMA操作目的地址（當為DMA讀時，目的地址為應用端地址；當為DMA寫時，目的地址為主機端地址）；
(6)DMA_DOORBELL：使能DMA操作門鈴信號dma_strt，啟動DMA操作；
(7)DMA_WAIT_INT：等待DMA操作完成；
(8)DMA_INT_STATUS：讀取DMA操作中斷寄存器狀態，當DMA操作完成信號dma_done有效時，產生完成中斷，并跳轉DMA_CLEAR_INT狀態；
(9)DMA_CLEAR_INT：清除中斷，回到IDLEPHASE狀態，準備下一次DMA傳輸。
3 DMA控制器功能驗證
3.1 仿真驗證
在完成代碼編寫之后，在VIP環境下搭建仿真平臺，使用Synopsys公司的仿真驗證工具VCS進行功能測試，主要測試驗證模塊能否正確對寄存器讀寫和DMA讀寫產生正確的反應。
從圖5、圖6中可以看到，寫地址偏移為0x40，寫數據為32’h87654321；讀地址偏移為0x40，讀數據為32’h87654321，由此可判斷寄存器讀寫正確。
如圖7所示，由dma_strt和dma_done信號可以看出為2次DMA傳輸，由dma_wr_rdn可看出第一次為DMA讀操作（RC端到APP側），第二次為DMA寫操作（APP側到RC端）由dma_bc_len可看出當前DMA操作長度為2 000 Byte，即500 DW，slv_rdata和slv_wdata信號較為密集的部分分別為2次DMA操作的數據，對比這兩次數據，得知DMA操作正確。
為了更加方便地比較結果，采取自動對比文件的方法，即把寄存器或DMA寫的數據存放到一個文件中，再把寄存器或DMA讀回的數據存放到另一個文件中，通過對比兩個文件，判斷寄存器和DMA傳輸是正確的。
3.2 FPGA測試驗證
在仿真驗證完成之后，進行FPGA測試驗證，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機的主板上，PC機重啟后檢測到PCIe硬件的插入，即可安裝對應的PCIe驅動軟件，利用上位機進行測試。
上位機軟件界面如圖8所示，包括寄存器讀寫（Target操作）和DMA讀寫（Master操作）測試模塊。
選擇“Target”操作的“dual”模式，寄存器長度設置為118，因為前10個寄存器與DMA操作相關，可能會觸發DMA操作，所以在軟件中選擇跳過。點擊“啟動測試”，數據將會被先從主機側寫到FPGA，再從FPGA讀回到主機側，比較兩次寄存器操作的數據，即可判斷寄存器操作的正確性。
如圖9所示，選擇“Master”操作的“dual”模式，點擊“memory”，即在PC側開辟一塊內存存放數據，然后點擊“啟動測試”，數據先從PC寫到FPGA的RAM中，接著再從FPGA回到PC，比較存放到PC內存的數據和從FPGA寫回到PC的數據，即可判斷DMA讀寫操作的正確性。
根據DMA傳輸固定大小的數據的時間，可以計算出DMA讀寫速率，經過多次測試，DMA讀寫速率分別為1 547 MB/s和1 607 MB/s。本設計采用的是PCIe Gen2、×4通道，理論最大傳輸速率為2 000 MB/s。分析代碼得出可能由于應用端向PCIe Core IP寫入和讀取數據過程占用了一定的時間，另外驅動程序向DMA寄存器寫入或讀取參數也占用了一些時間，都會影響速率。
4 結語
本文實現的基于FPGA的PCIe總線接口的DMA控制器是在Altera PHY IP和Synopsys Core IP的基礎上實現的，利用Synopsys VIP驗證環境進行了功能仿真驗證，并通過FPGA進行了系統實測，達到了較高的傳輸速率，在Gen2、×4模式下，DMA讀寫操作的帶寬分別為 1 547 MB/s和1 607 MB/s，達到了預期的設計目標。
參考文獻
[1] 陳剛，張京，唐建.一種基于FPGA的PCIe總線及其DMA的設計方法[J].兵工自動化，2014，33(5)：75-77.
[2] 張彪，宋紅軍，劉霖，等.基于PCIE接口的高速數據傳輸系統設計[J].電子測量技術，2015，38(10)：113-117.
[3] NAMBIAR S O S，ABHYANKAR Y，CHANDRABADU S.Migrating FPGA based PCI Express Gen1 design to Gen2[C].2010 International Conference on Computer and Communication Technology(ICCCT).2010.
[4] Altera Corporation.Stratix V GX FPGA development board reference manual[EB/OL].www.altera.com，2014.
[5] Altera Corporation.Altera Transceiver PHY IP Core User Guide[EB/OL].www.altera.com，2016.
[6] Altera Corporation. IP Compiler for PCI Express User Guide[EB/OL].www.altera.com，2014.
[7] 陳靜.基于ARM的USB2.0-AHB總線橋IP的驗證方法研究以及設計實現[D].成都：電子科技大學，2007.
[8] Synopsys.DesignWare PCI Express VIP User Manual[EB/OL].www.synopsys.com/products/designware/docs，2010.
[9] AMBA AXI and ACE Protocal Specification[EB].www.arm.com，2011.