基于FPGA的LBS控制器設計

0 引言

PLX的一款橋芯片PEX8311可將標準處理器、DSP和FPGA總線接口升級為PCI Express(PCIe)。PEX8311單道PCIe至32位、66 MHz通用局部總線橋可在兩種標準間轉換協(xié)議，它可用于通訊線路卡、監(jiān)視系統(tǒng)、工業(yè)控制、IP媒體服務器和醫(yī)療成像系統(tǒng)，以實現(xiàn)可升級的高帶寬互聯(lián)。采用根聯(lián)合體或終端點的PCI嵌入式系統(tǒng)設計可采用PEX8311橋芯片移植到PCIe。本文就是基于PEX8311和FPGA來實現(xiàn)PCIe標準1x傳輸。

1 系統(tǒng)介紹

FPGA和PEX8311之間通過LBS(LocalBus)來連接、發(fā)送和接收命令及數(shù)據(jù)，其中FPGA主要控制LBS的運行，本文通過設計一個高效、可靠的LBS控制器來實現(xiàn)FPGA和PEX8311的通信。如圖1所示。

本系統(tǒng)的控制的核心是LBS控制器，該控制器是通過FPGA采用VerilogHDL實現(xiàn)的，其優(yōu)點是穩(wěn)定性強、不會造成死機，避免了常規(guī)的PC I，PCIe板卡類經常死機的問題，其次是傳輸速率高，充分利用LBS的時序，減少無用的等待時間。

FPGA采用Altera公司的Cyclone3系列的3C120款FPGA芯片。Cyclone3是功耗最低、成本最低的高性能FPGA產品，鑒于上述特點本設計采用它來實現(xiàn)PCIe的傳輸功能。

PEX8311是PLX公司的一款x1的PCI Express接口芯片，本地端總線頻率最高可達66 MHz，數(shù)據(jù)位寬為32 b。PEX8311有主模式、從模式和DMA三種數(shù)據(jù)傳輸模式，可靈活、方便地與各CPU，F(xiàn)PGA和ASIC無縫連接，實現(xiàn)高速傳輸。

2 LBS控制器設計

2．1 控制信號介紹

Hold信號：請求控制總線的信號，F(xiàn)PGA向PEX8311發(fā)出控制總線的請求。
Holda信號：PEX8311響應FPGA請求的信號。
LCLK信號：時鐘輸入信號。
ADS信號：地址選通信號。
BLAST信號：最后一個數(shù)據(jù)的同步信號。
LA[31：2]信號：地址線。
LD[31：0]信號：數(shù)據(jù)線。
LW／R信號：讀寫控制。
Ready信號：數(shù)據(jù)有效信號。

2．2 LBS總線讀寫操作時序介紹

LBS總線操作有單次讀寫和Burst讀寫方式，本設計中采用單次讀寫設計用來傳輸FPGA內部的寄存器讀寫控制，這些寄存器是用于配置各邏輯模塊的功能控制，通過CPU或軟件來實時控制；Burst讀寫方式主要用于大批量數(shù)據(jù)傳輸，本文中主要是傳輸高速的DDR數(shù)據(jù)，利用Burst傳輸方式可以實現(xiàn)高速自動大容量數(shù)據(jù)傳輸，充分利用LBS的傳輸帶寬，提高傳輸效率。

2．3 PEX8311芯片介紹

PEX8311芯片的LBS端具有32位數(shù)據(jù)總線寬度和66 MHz時鐘頻率，PEX8311支持三種LBS總線接口模式：C模式，J模式和M模式，可方便地與多種微處理器連接。接口模式由MODE0和MODE1兩管腳確定。本設計采用時序邏輯相對簡單的C模式，即非復用的地址／數(shù)據(jù)總線模式。PEX8 311支持三種局部總線數(shù)據(jù)傳輸模式：單周期模式、四周期突發(fā)模式、連續(xù)突發(fā)模式。

DMA傳輸數(shù)據(jù)使傳輸任務從主控設備中解脫出來，由短且有效的傳輸描述符來承擔，讓主控設備可以有時間去處理其他事件。PEX8311有兩個DMA通道，可以同時處理兩側總線上要求的傳輸，免去外部設備的等待。另外，DMA傳輸可以與主模式和從模式傳輸同步操作，但后兩者比DMA傳輸優(yōu)先級高?？紤]到DMA傳輸有以上優(yōu)點，本設計中PCI Express接口部分采用連續(xù)突發(fā)模式DMA塊傳輸模式，LBS總線接口采用C模式。

2．4 LBS狀態(tài)機設計
LBS共設計有4個狀態(tài)：IDLE，START，DO，BUSY。其狀態(tài)轉移圖如圖2所示。

IDLE：空閑狀態(tài)。

START：當ADS地址選通有效時進入此狀態(tài)，進行地址空間判斷。

DO：當?shù)刂房臻g有效，并且傳輸條件滿足時進入傳輸狀態(tài)，每個時鐘判斷條件，當條件滿足時繼續(xù)該狀態(tài)，當條件不滿足時，進入BUSY等待狀態(tài)，傳輸結束(BLAST有效)進入IDLE狀態(tài)。

BUSY：當數(shù)據(jù)沒準備好時，在BUSY狀態(tài)等待，當數(shù)據(jù)準備好后進入DO狀態(tài)，當超時后進入IDLE狀態(tài)，實時退出。

2．5 LBS狀態(tài)機工作流程

FPGA作為LBS的邏輯控制器，負責協(xié)調好與DDR_FIFO數(shù)據(jù)和PEX8311之間的時序關系。系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)時，首先由驅動程序向PEX8311發(fā)送復位信號，通過LRESET復位LBS本地端的FPGA，清空FPGA內部DDR_FIFO內部數(shù)據(jù)，并將HF和FF標志置為無效，然后等待數(shù)據(jù)的輸入。FPGA讀入DDR數(shù)據(jù)后，首先將DDR數(shù)據(jù)寫入DDR_FIFO中，當DDR_FIFO中的數(shù)據(jù)達到半滿狀態(tài)時，HF標志位有效，通過FPGA向PEX8311發(fā)出DMA中斷請求。PC機響應中斷后，設置DMA傳輸模式，傳輸字節(jié)數(shù)及地址信號等。PEX8311通過LHOLD申請控制本地總線，此時FPGA發(fā)出的LHOLDA響應信號后獲得本地總線的控制權，并立即進入連續(xù)字節(jié)突發(fā)模式的Block DMA周期即由IDLE狀態(tài)到START狀態(tài)。FPGA在收到有效的LW／R讀信號和ADS地址選通信號后，進入DO狀態(tài)，同時發(fā)出Ready本地準備好應答信號，使能DDR_FIFO的讀允許REN和輸出允許OE。在傳輸最后一個數(shù)據(jù)時，PEX8311發(fā)出BLAST信號，F(xiàn)PGA配置DDR_FIFO讀使能和輸出使能無效，并取消Ready從而結束DMA周期。PC系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)時，F(xiàn)PGA將計算機通過PCIe傳過來的LBS數(shù)據(jù)寫入PC_FIFO中，再輸出寫入到DDR中。

2．6 LBS狀態(tài)機核心編碼設計

按照上述4個狀態(tài)進行Verilog設計，經過仿真和上板調試，效果很好，下面是狀態(tài)機設計程序，仿真時序圖如圖3，圖4所示。


3 結語

本文設計的LBS控制器應用在PEX8311和FPGA接口中運行狀態(tài)正常，穩(wěn)定性強，已成功應用于某視頻采集卡、某PCIe數(shù)據(jù)采集卡，經過實踐證明，基于FPGA設計的LBS控制器具有靈活性強、可編程能力強、適應性強等優(yōu)點，能迅速縮短產品上市時間、快速響應客戶需求，滿足市場需要。