SOPC实现的PCI总线高速数据传输系统
pci (peripheral component interconnect)总线，即外围部件互连总线，是目前应用最广泛的一种高速同步总线，在32位总线宽度33mz时钟下，其理论最大传输速率可达132mbyte/s (64位总线宽度66mhz时可达到528mbyte/s)，因此成为上述侦察接收系统中高传输速率、低成本pc接口的首选实现方式。目前，实现pci总线接口的常用方法有两种：一是采用专门的pci桥芯片实现pci接口，如plx公司的pci905x系列芯片等;二是使用可编程芯片实现pci接口。
本文提出一种采用可编程片上系统(system-on-programmable-chip,sopc)实现侦察接收机pci总线高速数据传输系统的设计方案，并采用直接存储器访问(direct memory access,dma)传输方式来提高数据传输速率。
1 pci总线接口方案设计
在pci总线接口标准中，根据数据传输的发起者所在位置，pci接口有从模式和主模式两种工作模式。根据工作方式的不同，dma传输方式可分为连续式dma (continuous dma)和集散式dma(scatter-gather dma)两种。
1.1 pci模式的选择
pci总线标准中，由pc发起数据传输、读/写pci接口卡的模式称为从模式。这种模式只要求pci接口设备具备pci从设备的功能，接口逻辑相对较简单;主模式是由pci接口卡主动读写pc内存，pci接口的逻辑相对复杂。频繁地要求pc发起数据传输会占用pc的资源，为了减少pc的负担，使其有更多的资源用于后续的数字信号处理，在侦察接收系统中，pci接口卡的传输模式选择主传输模式。
1.2 dma传输方式的选择
dma是提高数据传输速率和微处理器使用效率的一种数据传输机制。连续式dma用于实现连续数据块的传输，即在一次dma传输中设备端读/写物理地址连续变化(读存储器空间)或不变化(读io口)，pc端的物理存储地址连续变化。集散式dma用于实现不连续数据块的传输，各传输数据块的起始读/写地址和长度都可以不同，它采用一个寄存器链表存储每个数据块的读/写起始地址和长度，dma传输过程中自动从该链表加载地址和长度信息。集散模式dma应用灵活，其缺点是在传输完一个数据块之后要重新配置dma控制寄存器的值，速度比连续模式稍慢。在侦察接收系统中，dma传输模式选择连续式传输模式。
1.3 pci总线dma传输方案设计
pci接口总体结构框图如图1所示。数据输入到乒乓ram缓冲区，乒乓切换信号通知cpu数据准备好，cpu通过pci桥的控制状态寄存器判断pc端是否备妥，如pc备妥则配置并启动dma控制器，dma控制器读口从乒乓ram中读数据，写口将数据写至pci总线访问端，pci总线接口单元申请并获得pci总线访问权，将数据送上pci总线。
2 pci总线接口的sopc实现
sopc是ahera公司提出的一种灵活、高效的片上系统解决方案，它将处理器、存储器、i/o口以及一些通用的功能模块集成在一个pld器件上，构成一个可编程的片上系统。利用sopc开发侦察接收机中的pci总线接口，具有开发周期短、系统稳定性好的优点。
2.1 系统实现
pci总线接口的sopc内部结构如图2所示。实现pci总线dma传输系统使用到4类功能模块，分别是实现pci桥逻辑的pci_comiler组件(pci_c ompiler)、负责数据传输的dma控制器(dma)、控制整个sopc的niosii处理器(cpu)及其数据程序存储器(onchip_mem)，以及sopc和外部用户逻辑通信的接口模块(ba1、dmard和datardy)，上述组件通过avalon总线连接在一起组成sopc。
pci总线dma传输系统功能模块之间的交互过程如图3所示，过程描述如下：
(1)cpu等待pc使能dma传输，pc使能dma后，执行(2);
(2)pc等待乒乓ram的数据准备好信号，数据准备好后，执行(3);
(3) cpu将dma的读/写地址和传输长度参数写入dma控制器中，使能dma控制器，dma控制器开始数据传输，即读口通过dmard接口从ram中读数，写口将数据写到pci桥，pci桥将数据送至pci总线;
(4)当传输结束后，dma控制器产生一个中断(irq1)送cpu;
(5)cpu判断传输是否完成，传输完成则通过pci桥向pc发送中断，并执行(1)，开始下一次dma传输;
(6)pci总线发生异常时，pci桥逻辑中断cpu,cpu查询异常状态，并自动从异常中恢复。
2.2 pci总线异常的自动处理
pci总线dma传输过程中，可能出现的异常包括：
(1)pci总线上serr信号为高，系统错误。
(2)pci总线上perr信号为高，数据奇偶校验错误;
(3)主设备或从设备中止传输;
(4)主设备或从设备中止传输，或重试次数超过门限，导致pci桥对总线读/写失败。
在侦察接收系统设计中，上述异常一旦发生，pci接口便中断nioscpu,cpu接收到中断后，通过查询pci桥的控制寄存器访问(control registeraccess,cra)空间，获得异常信息。系统错误发生时，pci接口设备是没有办法恢复的，在这种情况下，nioscpu可点亮指示灯，指示系统错误发生;其它异常情况发生后，nios cpu可立即通过对dma控制器的状态空间的长度写零来停止dma传输，然后重新启动dma传输，让系统从异常中恢复过来。
2.3 提高pci总线dma速率的优化措施
为了尽可能提高dma传输速率，本方案中共采取了以下三个方面的措施。
(1)pci总线的突发传输与avalon总线的流水线操作
为了提高系统传输速率，应充分利用pci总线的突发传输特性，使pci总线处于突发传输状态。为此，在系统设计中，一方面使avalon总线工作于流水线模式下，降低avalon总线的延迟时间;另一方面适当增大缓存存储空间，避免因缓冲区满造成的传输延迟等待。
(2)dma控制的优化
为了使dma传输更为灵活，如程序运行过程中改变dma长度、读写地址、数据的帧长度，以及发生异常时程序自动恢复等，本文中使用nio scpu控制dma传输。cpu的主要任务是在pc使能dma和数据准备好时启动dma传输，应尽可能使程序紧凑，减少冗余操作，做到条件具备立即启动dma传输。
(3)功能模块的时钟设置
如图2所示，sopc中包括7个功能组件，为了进一步提高系统的速度，需要分别让这7个组件的时钟处于最佳状态。pci总线访问相关组件的时钟为33mhz,nios cpu相关的组件运行在150mhz时钟上。使系统在正确稳定运行的基础上，最大限度地提高运行速度。
3 结束语
该方案将pci桥和用户逻辑在一片fpga中实现，减少了硬件电路的复杂度、降低了系统成本;采用sopc创建pci桥，大大缩短了开发周期，提高了系统的可靠性，且因使用了片上nios cpu进行dma的在线配置和自动异常处理，使dma传输更加灵活。通过在ep3c120芯片上验证，该设计能够实现大于100mbytes /s的pci总线dma传输速率。
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在pci总线接口标准中，根据数据传输的发起者所在位置，pci接口有从模式和主模式两种工作模式。根据工作方式的不同，dma传输方式可分为连续式dma (continuous dma)和集散式dma(scatter-gather dma)两种。
1.1 pci模式的选择
pci总线标准中，由pc发起数据传输、读/写pci接口卡的模式称为从模式。这种模式只要求pci接口设备具备pci从设备的功能，接口逻辑相对较简单;主模式是由pci接口卡主动读写pc内存，pci接口的逻辑相对复杂。频繁地要求pc发起数据传输会占用pc的资源，为了减少pc的负担，使其有更多的资源用于后续的数字信号处理，在侦察接收系统中，pci接口卡的传输模式选择主传输模式。
1.2 dma传输方式的选择
dma是提高数据传输速率和微处理器使用效率的一种数据传输机制。连续式dma用于实现连续数据块的传输，即在一次dma传输中设备端读/写物理地址连续变化(读存储器空间)或不变化(读io口)，pc端的物理存储地址连续变化。集散式dma用于实现不连续数据块的传输，各传输数据块的起始读/写地址和长度都可以不同，它采用一个寄存器链表存储每个数据块的读/写起始地址和长度，dma传输过程中自动从该链表加载地址和长度信息。集散模式dma应用灵活，其缺点是在传输完一个数据块之后要重新配置dma控制寄存器的值，速度比连续模式稍慢。在侦察接收系统中，dma传输模式选择连续式传输模式。
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