CCD系統(tǒng)下基于FPGA的PCI圖像采集卡設計與實現(xiàn)

PCI控制核主要完成用戶設備和PCI總線之間的數(shù)據(jù)傳輸。PCI核可工作在Target傳輸模式和Initiator傳輸模式。每種傳輸模式又可以分單次傳輸和突發(fā)傳輸。由于單次傳輸速度達不到要求，我們選擇突發(fā)傳輸模式以便提高傳輸速度。
Target模式下的突發(fā)傳輸模式相對Initiator下的突發(fā)傳輸模式的控制邏輯簡單，但是考慮到PCI圖像采集卡的可移植性，故采用Initia tor突發(fā)傳輸模式。在Initiator突發(fā)傳輸模式下，PCI圖像采集卡主動向橋芯片申請PCI總線控制權，并主動傳送數(shù)據(jù)；在Target模式下，必須用軟件對橋芯片進行配置，也就是說PCI圖像采集卡作為一個PCI從設備等待橋芯片的配置、數(shù)據(jù)讀取等。所以采用Initiator下的突發(fā)傳輸模式邏輯控制復雜，但是移植性好。
3．3 PCI圖像采集卡地址空間配置
PCI的地址空間可分為三種，分別是PCI配置空間、PCI I／O空間和PCI內(nèi)存空間。
我們需要對PCI核進行配置。
Xilinx提供的PCI核提供了BAR0、BAR1、BAR2三個地址空間。這三個地址空間可以配置成內(nèi)存地址空間或I／O地址空間。為了PCI圖像采集卡在不同橋芯片下和不同的操作系統(tǒng)下工作。我們把所有的地址空間都配置成了內(nèi)存空間，因為不是所有處理器都支持I／O操作。在我們的設計中，使用了BAR0和BAR1兩個地址空間，配置成了內(nèi)存空間，并全部配置成可以預取模式。以配制BAR0為例說明配置方法。

3．4 地址指針的設計
對于Initiator下的突發(fā)模式傳輸，因為從設備可以在任何時刻結束數(shù)據(jù)的傳輸，應用程序必須始終對地址進行跟蹤，以便在Initiator再次發(fā)起傳輸時能得到正確的地址進行重新傳送。
我們在設計的時候用了一個32bit的寄存器對地址進行跟蹤，其中低2位始終為0，高30位用來保存數(shù)據(jù)。利用M_DATA_VLD信號來控制地址的增加。當M_ADDR_N有效的時候把地址輸送到地址總線上。

3．5 Initiator突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)機的實現(xiàn)
狀態(tài)機用來控制突發(fā)模式的讀寫時序。整個狀態(tài)機由六個狀態(tài)組成，分別是IDLES、REOS、WRITES、READS、RSTS、OOPS。下面分對這六
個狀態(tài)的功能進行描述。
IDLES：狀態(tài)機處于空閑狀態(tài)，狀態(tài)機等待用戶發(fā)起讀或者寫請求。
REOS：用戶發(fā)起了傳送請求。當是讀請求時，狀態(tài)機進入READS狀態(tài)。當是寫請求時，狀態(tài)機進入WRITES狀態(tài)。
READS：狀態(tài)機一直處于數(shù)據(jù)讀取狀態(tài)直到傳輸完成，或者在傳輸過程中發(fā)生了不可恢復的錯誤。當數(shù)據(jù)正常傳輸完成時，狀態(tài)機會跳到OOPS_S狀態(tài)；當發(fā)生致命錯誤時，狀態(tài)機會處于RSTS。
WRITES：狀態(tài)WRITES和READS基本類似。不同的是數(shù)據(jù)傳輸方向不同。
RSTS：當狀態(tài)機處于RSTS時說明整個系統(tǒng)發(fā)生了不可恢復的錯誤，必須重新復位讓軟硬件。
OOPS：當狀態(tài)機處于OOPS狀態(tài)，如果需要對前端的FIFO進行回滾操作，狀態(tài)機就一直處于OOPS。如果前端FIFO檢測傳輸完成信號，完成則進入IDLES狀態(tài)，否則進入申請總線狀態(tài)REQS。
3．6 異步存儲器的實現(xiàn)
由于PCI讀存儲器的時鐘頻率和數(shù)據(jù)寬度與收發(fā)器寫存儲器的時鐘頻率和數(shù)據(jù)寬度不一致，所以要設計在兩個異步時鐘之間傳輸數(shù)據(jù)的接口電路。Xilinx自帶的FIFO IP核是一種解決方案。但是由于異步FIFO沒有Initiator突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸下的需要的back_up信號，所以利用Xilinx自帶的塊RAM作為數(shù)據(jù)寬度可以控制的存儲器。