隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以及大數(shù)據(jù)量交互的需要，硬件系統(tǒng)對(duì)PC總線傳輸速率、數(shù)據(jù)完整性提出了越來(lái)越高的應(yīng)用要求。傳統(tǒng)的PCI總線技術(shù)雖然經(jīng)過(guò)不斷的改進(jìn)，開(kāi)發(fā)出64b，66MHz的并行協(xié)議PCI－X標(biāo)準(zhǔn)，但由于并行總線整體設(shè)計(jì)難度以及造價(jià)高昂，主流的PCI技術(shù)已經(jīng)成為限制數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)性能發(fā)揮的瓶頸。因此，第3代I/O技術(shù)PCIExpress總線標(biāo)準(zhǔn)一經(jīng)推出即成為取代PCI總線的下一代標(biāo)準(zhǔn)，并得到迅速的發(fā)展。

　　PCIExpress總線利用串行的連接特點(diǎn)能輕松的將數(shù)據(jù)整體傳輸速度提到一個(gè)更高的頻率，達(dá)到遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出以往PC總線的傳輸速度，同時(shí)保證了數(shù)據(jù)的完整性。PCIExpress連接采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)差分傳輸，可以被配置成最高x32的數(shù)據(jù)帶寬，其中PCIExpressGen2.0標(biāo)準(zhǔn)的x1通道傳輸能力達(dá)到單向5Gb/s.PCIExpress總線設(shè)備可以通過(guò)主機(jī)橋接器芯片進(jìn)行基于主機(jī)的傳輸，也可以通過(guò)交換器進(jìn)行多點(diǎn)傳輸，這極大的拓展了PC總線的開(kāi)發(fā)靈活性。Xilinx公司的Virtex－6系列FPGA芯片內(nèi)嵌了PCIExpress協(xié)議硬核，支持x1，x2，x4和x8通道傳輸，為實(shí)現(xiàn) PCIExpress總線解決方案單片集成提供了可能。

　　本文在研究PCIExpress協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)及其接口技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于Virtex－6FPGA芯片的PCIExpress高速數(shù)據(jù)采集卡，實(shí)現(xiàn)了外部系統(tǒng)與PC的數(shù)據(jù)交互。

　　1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　PCIExpress采集系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

　　圖1系統(tǒng)整體框圖

　　采集系統(tǒng)以FPGA作為采集卡的控制核心，外部數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)接口傳入FPGA，F(xiàn)PGA通過(guò)內(nèi)部邏輯對(duì)高速數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的時(shí)序控制和相關(guān)處理后將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到片外的SDRAM進(jìn)行緩存，然后采集卡在總線主控DMA控制器的控制下，通過(guò)PCIEx8通道將緩存的數(shù)據(jù)寫(xiě)入計(jì)算機(jī)內(nèi)存。上位機(jī)由驅(qū)動(dòng)軟件識(shí)別 PCI Express采集卡，并設(shè)置DMA控制寄存器，通過(guò)上層應(yīng)用軟件接收硬件電路發(fā)送到內(nèi)存的數(shù)據(jù)，并在每次傳輸結(jié)束是處理中斷。采用DMA模式傳輸實(shí)現(xiàn)了在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)高速采集的同時(shí)，不影響上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的處理工作，不僅提高了采集系統(tǒng)整體的采集速度，也保證了數(shù)據(jù)質(zhì)量，以及測(cè)試分析完整性。

　　數(shù)據(jù)接口模塊完成外部數(shù)據(jù)的差分接收，這有利于保證高速數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量。Virtex－6FPGA實(shí)時(shí)接收差分信號(hào)，并在DataProcessor模塊中進(jìn)行解碼然后根據(jù)一定時(shí)序通過(guò)高速FIFO緩存送入外部SDRAM存儲(chǔ)模塊。PCIExpressIPCore為Virtex－6FPGA內(nèi)部集成協(xié)議硬核，完成數(shù)據(jù)的分層打包，DMA控制器作為PCIExpress總線傳輸?shù)闹骺?，?shí)現(xiàn)了DMA方式傳輸。

　　2采集卡硬件設(shè)計(jì)

　　2.1基于IPCore的PCIExpress接口設(shè)計(jì)

　　本采集卡采用Xilinx公司的Virtex－6系列FPGA芯片作為核心控制器。該款FPGA中內(nèi)置了PCIExpress集成模塊和 RocketIOGTP收發(fā)器，提供了符合《PCIExpress基本規(guī)范v2.0》的PCI－E解決方案，單通道最高設(shè)計(jì)速度達(dá)到5Gb/s.根據(jù)PCI－E總線的分層模型，Virtex－6集成端點(diǎn)模塊提供事務(wù)層（TL）、數(shù)據(jù)鏈路層（DLL）、物理層（PHYMAC）以及配置空間所具有的全部功能。通過(guò)使用Xilinx公司提供的PCIExpress LogiCOREIPEndpointBlockPlus核，可實(shí)現(xiàn)符合PCI－E總線協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸。EndpointBlock Plus核在內(nèi)部例化了Virtex－6集成端點(diǎn)模塊，實(shí)現(xiàn)了集成端點(diǎn)模塊和GTP收發(fā)器之間的數(shù)據(jù)傳輸。集成硬核頂層模塊接口組成如圖2所示。

　　Xilinx公司所提供的PCIExpress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(guò)PCIE接口與計(jì)算機(jī)通信。分層傳輸過(guò)程如圖3所示。

　　其中處理層主要是接受從軟件層送來(lái)的讀寫(xiě)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(guò)維護(hù)鏈路活躍狀態(tài)信息、流控制初始化和流控制來(lái)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(wú)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(guò)檢測(cè)、配置和輪詢(xún)來(lái)協(xié)商可用的通道數(shù)目和雙方的工作頻率。

　　圖2集成硬核頂層模塊接口組成框圖

　　圖3PCIExpress分層傳輸過(guò)程

　　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 BlockRAM用作DMA控制寄存器，在驅(qū)動(dòng)程序的映射下，該BlockRAM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(wèn)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(wèn)。

　　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?xiě)入相應(yīng)的DMA控制寄存器。在接收到采集命令后，采集卡開(kāi)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(guò)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(guò)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(xiě)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EndpointBlockPlus核的事務(wù)（TRN）接口的格式提交給IP核，由IP核按照PCIExpress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(guò)PCI－Ex8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(pán)，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。