基于PCI9054總線控制器的數(shù)據(jù)接收和存儲系統(tǒng)

系統(tǒng)設(shè)計
數(shù)據(jù)接收和存儲系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)接收和預(yù)處理，數(shù)據(jù)傳送，數(shù)據(jù)存儲等部分。本文主要介紹CPLD，PCI總線結(jié)構(gòu)，總線控制器PCI9054。其系統(tǒng)組成如圖2所示。
基帶串行信號由復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，變?yōu)?位數(shù)據(jù)信號后根據(jù)編碼方式找到同步幀，并進(jìn)行預(yù)處理，然后傳到先入先出存儲器FIFO, 在邏輯控制下將數(shù)據(jù)送入PCI總線控制器PCI9054,由9054采用DMA突發(fā)方式傳輸至內(nèi)存，再存儲到RAID磁盤陣列。
采用復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)可大大減少復(fù)雜的控制，通過VHDL語言即可靈活設(shè)置控制邏輯。而且隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，可編程邏輯器件的發(fā)展非常迅速，現(xiàn)已達(dá)到數(shù)十萬門，速度<1ns(管腳之間)。由于高速電路設(shè)計中的干擾問題非常嚴(yán)重，因此要盡可能地減少線路設(shè)計，所以采用CPLD不僅可滿足系統(tǒng)要求的復(fù)雜的邏輯關(guān)系，而且可大大減少布線干擾，調(diào)試和更改也非常方便，是今后邏輯控制的發(fā)展方向。在本系統(tǒng)中，CPLD不僅實現(xiàn)串并轉(zhuǎn)換和同步的功能，同時還用以實現(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)入FIFO以及由FIFO傳入PCI9054的傳輸控制邏輯，中斷邏輯以及主機對數(shù)據(jù)傳輸通道的前端控制。
在總線結(jié)構(gòu)上，由于數(shù)據(jù)傳輸速度高，以往的ISA總線不能滿足要求(ISA總線最大傳輸速度5MB/S)，必須采用更快的PCI總線結(jié)構(gòu)。PCI總線協(xié)議是Intel公司1992年提出的，為滿足高速數(shù)據(jù)輸入/輸出要求而設(shè)計的一種低成本，高性能的局部總線協(xié)議。它是一種獨立于處理器的總線結(jié)構(gòu)，具有32位或64位的復(fù)用的數(shù)據(jù)地址總線，總線上的設(shè)備可以以系統(tǒng)總線的速度在相互之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，或直接訪問系統(tǒng)內(nèi)存，可以達(dá)到132MB/s的數(shù)據(jù)傳輸速率(64位則性能加倍)。采用PCI接口的設(shè)備必須滿足PCI接口規(guī)范V2.2標(biāo)準(zhǔn)。
PCI 總線結(jié)構(gòu)具有非常明顯的優(yōu)點，但其總線規(guī)范十分復(fù)雜，要求非常嚴(yán)格的時序關(guān)系，接口的設(shè)計難度較大。因此，為了減少PCI總線在實際應(yīng)用中的復(fù)雜性，許多公司設(shè)計出了專門針對PCI總線接口的控制芯片。PCI9054就是其中比較先進(jìn)的一種。PCI9054是PLX公司推出的一種33M, 32位PCI接口控制器，可同時支持3.3V和5V兩種信號環(huán)境，并且具有電源管理功能。其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。
它提供了三種物理總線接口：PCI總線接口，LOCAL總線接口，及串行EPROM接口。
LOCAL總線的數(shù)據(jù)寬度為32位，時鐘頻率可達(dá)到50MHZ, 并且支持?jǐn)?shù)據(jù)預(yù)取功能。 9054的LOCAL總線與PCI總線之間數(shù)據(jù)傳輸有三種方式：主模式(Direct Master)，從模式(Direct Slave)，DMA方式。其內(nèi)部具有兩個DMA數(shù)據(jù)通道，雙向數(shù)據(jù)通路上各有6個FIFO進(jìn)行數(shù)據(jù)緩沖，可同時進(jìn)行高速的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。8個32位Maibox寄存器可為雙向數(shù)據(jù)通路提供消息傳送。9054還有2個32位Doorbell寄存器，用來在PCI和Local總線上產(chǎn)生中斷。
用戶通過設(shè)置其內(nèi)部寄存器，即可完成各種控制功能。9054內(nèi)部寄存器的配置信息可以寫在一片串行EPROM中，在加電時9054自動加載串行EPROM配置信息，并由PCIBIOS通過PCI總線對配置寄存器讀寫。9054可方便地與各種存儲設(shè)備相連接，在本設(shè)計中，它與FIFO及EPROM的設(shè)計接口如圖4所示。在本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)傳輸是單方向的，因此只設(shè)計PCI9504從FIFO中讀數(shù)據(jù)的情況，只用到與讀FIFO有關(guān)的信號，如REN，RCLK等。其中的CPLD邏輯關(guān)系如下：
REN平時為高電平(無效電平)，當(dāng)ADS#為低(有效)，BLAST為高(無效)，LW/R為低(有效)時，表明9054開始了一個有效的讀數(shù)據(jù)周期，CPLD產(chǎn)生一個低電平信號REN(有效電平)給FIFO，同時作為Ready信號返回給9054，通知9054設(shè)備已準(zhǔn)備就緒。此信號持續(xù)到ADS#為高(無效)且BLAST為低(有效)時，表明9054已經(jīng)開始最后一個周期，此時REN信號再次變高電平(無效)。
OE信號與REN信號可同樣設(shè)置，在讀信號允許的同時使能FIFO芯片。
本設(shè)計中采用了PCI9054的DMA工作方式，在此方式下，9054作為PCI總線的主設(shè)備，同時也是Local總線的控制者，通過設(shè)置其DMA控制器內(nèi)部的寄存器即可實現(xiàn)兩總線之間的數(shù)據(jù)傳送。表1顯示了與DMA傳輸相關(guān)的寄存器在PCI總線上的地址分配：
PCI9054的DMA傳輸過程可由以下幾個步驟實現(xiàn)：
1．設(shè)置方式寄存器：設(shè)置DMA通道的傳輸方式，寄存器DMAMODE0或者DMAMODE1的位9:0-表示塊傳輸，1-表示散/聚傳輸；
2．設(shè)置PCI地址寄存器：設(shè)置PCI總線側(cè)的地址空間。
3．設(shè)置LOCAL地址寄存器：設(shè)置LOCAL總線側(cè)的地址空間。
4．設(shè)置傳輸計數(shù)寄存器：以字節(jié)位單位設(shè)置傳輸數(shù)據(jù)量。
5．設(shè)置描述寄存器：設(shè)置DMA傳輸?shù)姆较?；在?聚方式下，位0表示傳輸參數(shù)的加載地址，0-PCI地址，1-Local地址； 位1表示傳輸鏈結(jié)束，0-未結(jié)束，1-結(jié)束；位2設(shè)置當(dāng)前塊傳輸結(jié)束后中斷；位3指示DMA的傳輸方向，0-從PCI總線到Local總線，1-從Local總線到PCI總線；高28位[31:4]表示傳輸參數(shù)表的地址指針。
6．設(shè)置命令/狀態(tài)寄存器：啟動或停止DMA操作，并讀此寄存器返回DMA狀態(tài) 。
通過PCI9054的DMA傳輸方式，高速數(shù)據(jù)可以較容易地實現(xiàn)從PCI接口板上傳入計算機，不必考慮PCI總線接口的實現(xiàn)，從而大大簡化了設(shè)計中的復(fù)雜度，加快了設(shè)計周期。

結(jié)語
隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，要求的數(shù)據(jù)傳輸速率將會越來越高，CPLD技術(shù)和PCI總線將會越來越多地應(yīng)用在數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)計中，PCI9054總線控制器有著較高的性能/價格比，將來的應(yīng)用將會更加廣泛?！?/P>

參考文獻(xiàn)：
1．《PCI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》，Tom Shanley Don Anderson，電子工業(yè)出版社.
2．《CPLD技術(shù)及其應(yīng)用》 宋萬杰、羅豐、吳順君，西安電子科技大學(xué)出版社.
3．《數(shù)字電路設(shè)計與Verilog HDL》 ，張亮，人民郵電出版社.
4．《PCI9054 Data Book》， PLX Technology, Inc.

圖1 衛(wèi)星數(shù)據(jù)下傳示意圖

圖2 系統(tǒng)組成框圖

圖3 PCI9054接口結(jié)構(gòu)圖

圖4 9054與FIFO及EPROM的接口設(shè)計電路