基于Virtex-6的PCI Express高速采集卡設(shè)計(jì)

Xilinx公司所提供的PCI Express解決方案，遵守了PCIE分層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，從完成對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行分層打包，通過PCIE接口與計(jì)算機(jī)通信。分層傳輸過程如圖3所示。
其中處理層主要是接受從軟件層送來的讀寫請(qǐng)求，并且建立一個(gè)請(qǐng)求包傳輸?shù)綌?shù)據(jù)鏈路層。作為事務(wù)層和物理層之間的接口，數(shù)據(jù)鏈路層通過維護(hù)鏈路活躍狀態(tài)信息、流控制初始化和流控制來確保數(shù)據(jù)的完整性、數(shù)據(jù)包的有序性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。物理層位于PCIE結(jié)構(gòu)的最底層，主要實(shí)現(xiàn)鏈路的建立、通路的分配、時(shí)鐘的編碼和并行數(shù)據(jù)與串行數(shù)據(jù)的之間的轉(zhuǎn)換。在初始化階段，在無需固件或操作系統(tǒng)軟件的介入下，物理層建立狀況狀態(tài)機(jī)通過檢測(cè)、配置和輪詢來協(xié)商可用的通道數(shù)目和雙方的工作頻率。
2．2 高速傳輸實(shí)現(xiàn)
作為采集卡數(shù)據(jù)傳輸主控，F(xiàn)PGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了高速數(shù)據(jù)傳輸DMA控制操作。為了接收上位機(jī)發(fā)出的DMA控制命令，系統(tǒng)首先必須分配一定大小的FPGA內(nèi)部Block RAM用作DMA控制寄存器，在驅(qū)動(dòng)程序的映射下，該Block RAM在采集卡插入系統(tǒng)是會(huì)被映射到主機(jī)內(nèi)存空間，于是主機(jī)只需訪問映射好的內(nèi)存空間即可實(shí)現(xiàn)對(duì)FPGA內(nèi)部控制寄存器的訪問。
當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)傳輸時(shí)，上位機(jī)首先將DMA傳輸?shù)哪康牡刂穼懭胂鄳?yīng)的DMA控制寄存器。在接收到采集命令后，采集卡開始接收外部數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼、整形，按順序?qū)?shù)據(jù)依次通過高速FIFO送入外部SDRAM進(jìn)行緩存。當(dāng)SDRAM數(shù)據(jù)有效后，通過觸發(fā)信號(hào)啟動(dòng)DMA傳輸，DMA控制器將申請(qǐng)從SDRAM中將數(shù)據(jù)寫入到數(shù)據(jù)發(fā)送FIFO，由發(fā)送模塊將發(fā)送數(shù)據(jù)FIFO中的數(shù)據(jù)按照Endpoint Block Plus核的事務(wù)(TRN)接口的格式提交給IP核，由IP核按照PCI Express總線規(guī)范將數(shù)據(jù)傳至FPGA的GTP收發(fā)器，GTP收發(fā)器直接連接了PCI-E的差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸對(duì)，于是通過PCI-E x8通道將數(shù)據(jù)以DMA方式直接存入主機(jī)物理內(nèi)存中。當(dāng)存完一個(gè)數(shù)據(jù)包后發(fā)出中斷消息通知主機(jī)上層應(yīng)用程序處理數(shù)據(jù)以及將物理內(nèi)存中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至硬盤，之后即進(jìn)入下一個(gè)數(shù)據(jù)包的傳輸，如此反復(fù)，直到收到主機(jī)的停止DMA傳輸命令，即完成當(dāng)前幀的采集和傳輸并停止下一幀的采集和傳輸。

3 PCI Express采集卡驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序在Windows XP操作系統(tǒng)下，應(yīng)用微軟公司的Driver Studio平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)。Driver Studio平臺(tái)提供了驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)所需的WDM(Windows Driver Mode，Windows驅(qū)動(dòng)程序模型)，包括VtoolsD、DriverWorks、DriverNetWorks和SoftICE等開發(fā)工具，應(yīng)用該平臺(tái)開發(fā)降低了驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)的難度，同時(shí)了提高了代碼的可靠性。
3．1 硬件驅(qū)動(dòng)
驅(qū)動(dòng)程序?qū)ν獠坑布脑L問是通過DriverWorks提供的2個(gè)類來實(shí)現(xiàn)的，其中，KioRang類實(shí)現(xiàn)對(duì)I／O映射芯片的訪問，KMemoryRang類實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)存映射芯片的訪問。本系統(tǒng)選擇了KMemoryRang完成PCIExpress硬件的訪問，主要調(diào)用函數(shù)如表1所示。

初始化KMemoryRang類的操作是在驅(qū)動(dòng)程序啟動(dòng)例程中執(zhí)行的，主要執(zhí)行程序如下：

當(dāng)驅(qū)動(dòng)程序完成初始化時(shí)，應(yīng)用端軟件將通過inb()和outb()等函數(shù)對(duì)外部硬件電路進(jìn)行訪問，讀寫數(shù)據(jù)。