0 引言

    UM-BUS^[1-2]總線是一種具有動態重構能力的高速串行總線。為了驗證UM-BUS總線在傳輸速率及帶寬靈活性方面的優勢，本文設計了一個UM-BUS測試系統^[3]，其功能是將采集的總線數據緩存到SDRAM存儲器中，并實現FPGA端SDRAM存儲器與PC的通信，將數據傳輸至PC進行分析和處理。

    鑒于PCIe1.1（PCI Express）采用點對點串行連接、全雙工的傳輸方式，并可根據實際需求靈活配置成x1、x4、x8和x16通道，單通道單向傳輸帶寬可達250 MB/s，本文采用PCIe1.1^[4]x4通道，基于DMA^[5-6]（Direct Memory Access）傳輸機制共同實現了SDRAM存儲器與PC之間的通信傳輸設計。

1 研究背景

1.1 UM-BUS總線介紹

    UM-BUS總線采用多線路并發冗余的總線型拓撲結構，采用節點互連方式，最多可以連接30個總線節點設備，采用32條通道進行數據的并發傳輸，單通道速率可達200 Mb/s。其拓撲結果如圖1所示，其中n表示總線上的節點數，m表示物理通道數。

1.2 UM-BUS總線測試系統介紹

    本文UM-BUS總線測試系統是針對采用16通道并發傳輸的UM-BUS總線而設計的，理論速率可達400 MB/s，滿足當前大多數測試和應用帶寬需求。為了將采集的高速總線數據傳輸到PC進行分析處理，完成測試功能需求，本文在UM-BUS總線測試系統中設計并實現了PCIe1.1技術。

    如圖2所示，在UM-BUS測試系統中，系統要求PC能夠對由數據采集模塊采集處理后的數據通過外部SDRAM存儲器進行緩沖，然后通過PCIe接口將數據傳輸至PC進行保存。目前UM-BUS總線數據采集模塊和高速緩存模塊設計已完成，本文重點是PCIe通信接口的設計與實現。

2 PCIe通信接口設計

    為了更好地發揮PCIe總線的高帶寬優勢，本文采用Xilinx公司Virtex-5系列XC5VLX85T的FPGA來設計PCIe通信接口，通過其內部嵌入的PCIe IP硬核Endpoint Block Plus for PCI Express1.1^[7]來實現。為了提高CPU的運行效率，引入DMA設計，本文采用總線主控DMA(BUS Master DMA，BMD)的方式控制PCIe IP硬核從而控制高速數據的傳輸。

3 硬件邏輯設計

    針對Xilinx公司XC5VLX85T PFGA，在Windows系統平臺下，以Xilinx的參考案例XAPP1052^[8]為基礎，實現了PCIe總線的BMD功能邏輯設計。

    如圖3所示，BMD主要由以下五部分構成：

    (1)PCIe IP硬核：對外與其他PCIe設備通信，對內與發送引擎和接收引擎進行數據傳輸。

    (2)設備控制模塊：接收通過接收引擎解析的數據，并將數據存儲在SDRAM中；將SDRAM中的數據讀出，供發送引擎組織TLP^[9]包使用。為了匹配PCIe IP核和SDRAM兩側不同時鐘域、不同速率的數據緩沖和位寬轉換，設計了FIFO緩沖模塊。

    (3)寄存器控制模塊：解析來自PC的命令和配置，并通知發送引擎、接收引擎和設備控制模塊作出相應的執行操作。 

    (4)接收引擎模塊：接收并解析TLP包，根據TLP的包頭信息，將對應的數據寫入寄存器控制模塊的寄存器中，或者對接收到的存儲器讀TLP進行拆包。

    (5)發送引擎模塊：負責把待發送數據組織成TLP包，并傳送給PCIE IP核。

3.1 DMA傳輸的邏輯設計與實現

    DMA傳輸包括兩個過程，即DMA讀（PC端到FPGA端）和DMA寫（FPGA端到PC端）。

3.1.1 DMA讀設計與實現

    DMA讀操作包含兩個過程，發送引擎組裝DMA讀請求TLP并發送，接收引擎接收PC返回的CPLD TLP。

    本文在接收引擎中設置了4個TAG存儲器，每個TAG存儲器對應一個等待完成包的讀請求，TAG存儲器用來保存讀請求的設備訪問地址及長度，對每個讀請求，PC可能會用多個CPLD TLP來應答，當PC送來CPLD TLP時，接收引擎根據CPLD TLP中的TAG標識，查找對應的TAG存儲器，獲得設備側SDRAM的寫入地址。因此，當發送引擎發送讀請求TLP時，必須等待可用的TAG存儲器，并以可用的TAG存儲器編號作為讀請求的TAG標識。當對可用TAG進行優先級排除時，優先級設置為0、2、1、3，以下的程序片段為接收引擎中TAG空閑信號TAG_empty_o及TAG標號TAG_empty_Index優先級設置方法，其中TAG_Valid為接收引擎收到的TAG對應的TAG標識。

    為此設計的DMA讀操作如下所示：

    (1)發送DMA讀請求TLP

    ①共需要發送rmrd_count個DMA讀請求TLP, rmrd_count由軟件在寄存器控制模塊中設置。當接收引擎有空閑TAG時，發送DMA讀請求TLP的第一個64 bit，使用該空閑的TAG 編號TAG_empty_Index_i來作為TAG標識，即trn_rd[41:40]={TAG_empty_Index_i}。

    ②根據32 bit地址信息組裝DMA讀請求TLP的第二個64 bit并發送。

    (2)接收PC返回的CPLD TLP

    流程如圖4所示。

    ①接收CPLD TLP的第一個64 bit，解析得到TLP包數據長度。

    ②當接收緩沖FIFO為空且收到的TAG標識有效時，將解析得到的數據寫入FIFO中進行緩存。

    ③接收CPLD TLP后續數據并將其寫入FIFO進行緩存。

    ④若是CPLD TLP傳輸完成，判斷接收到的數據長度。如若實際接收的數據長度與TLP包應傳輸長度一致，則當前CPLD TLP正確接收完成，清除TAG有效標識，此時TAG存儲器處于空閑狀態，可用于新的DMA讀請求。

3.1.2 DMA寫設計與實現

    DMA寫操作實現的主要方法是將TLP包頭中的各個字段正確填充，并將數據按照64 bit并行放在TLP包頭，傳輸給PCIe IP硬核，然后硬核以PCIe協議串行傳輸給PC。DMA寫操作在發送引擎中實現，操作流程如圖5所示。

    (1)發送FIFO讀取SDRAM存儲器數據。當需要傳輸的數據量大于等于4 096 B時，傳輸數據量為4 096 B，否則傳輸數據量為SDRAM中剩余數據量。

    (2)若發送FIFO讀取數據完成，則發送DMA寫TLPs。

    ①設置TLP包計數值cur_wr_count，初始值為零：cur_wr_count<=cur_wr_count+1′b1，將DMA寫請求各字段填入TLP包頭的第一個64 bit中發送。

    ②將32 bit地址和第一個32 bit數據填入TLP包頭的第二個64 bit字發送。

    ③將每個TLP所需傳輸的數據填入TLP后續的64 bit字進行發送。

    (3)重復步驟（2），直至cur_wr_count達到所需傳輸TLP包個數設定值，DMA寫操作完成。

3.2 SDRAM控制模塊設計

    本文采用了片外擴展SDRAM存儲芯片，片內編寫SDRAM控制器的方式實現數據的緩存。采用兩片32 M×16 bit SDRAM，SDRAM存儲器只進行單端口數據操作，SDRAM控制器被設計成有左端口和右端口的雙口控制器，在邏輯上將控制器實現左端口輸入數據、右端口輸出數據的功能。雙口設計實現了數據傳輸方向的靈活控制。

    圖6是SDRAM控制邏輯的狀態機，其中S0和S2是等待命令狀態。S1表示經DMA讀方式緩存在接收緩沖FIFO的數據有寫入SDRAM的請求時，SDRAM控制器成為左口模式，數據存入SDRAM。S3表示有DMA寫請求，發送緩沖FIFO有讀取SDRAM數據請求時，SDRAM控制器成為右口模式，數據從SDRAM存儲器讀出后被傳輸到發送緩沖FIFO。

4 軟件設計

    軟件設計包括驅動程序設計和應用軟件程序設計。

    本文PCIe驅動程序是在Windows 7操作系統下開發設計的，選用Jungo公司軟件WinDriver生成，極大地簡化了硬件驅動程序開發的工作量，具有極強的平臺移植性。WinDriver支持Xilinx的BMD模式，能夠根據硬件設備的描述自動產生設備驅動程序源代碼程序框架，用戶在Visual Studio2015下根據要實現的功能添加代碼，完成驅動程序的開發。

    應用軟件程序的開發則使用了Visual Studio2015，主要功能是測試直接訪問讀寫和DMA讀寫的正確性。在實現PCIe數據傳輸過程中，數據傳輸流程為：數據從PC內存通過PCIe接口以DMA讀的方式向下傳輸到FPGA內部發送緩存FIFO中，FPGA內部SDRAM控制邏輯再將數據傳輸到SDRAM存儲器中進行存儲，向下傳輸成功后，FPGA內部邏輯從SDRAM存儲器中將存儲的數據讀出，然后通過PCIe接口以DMA寫的方式將數據傳回PC內存，與原始數據進行比對校驗。

5 FPGA測試驗證

    為了對設計實現的PCIe接口進行測試驗證，需將硬件部分燒錄到板卡的FPGA芯片后，通過板卡的PCIe金手指插到PC的主板上，重啟PC，檢測到新的硬件插入后便可安裝相應的PCIe驅動文件，成功安裝后進行功能測試。

    上位機軟件界面如圖7所示，從圖中可以看到，測試包括DMA讀操作、DMA寫操作及寄存器讀寫操作，步驟如下：

    (1)進行DMA讀操作，將所要傳輸的數據文件讀入PC機內存，然后寫入FPGA端；

    (2)進行DMA寫操作，FPGA通過DMA寫將數據寫回PC，并以文件的形式保存在PC上，PC對寫回的數據和初始數據進行校驗；

    (3)直接訪問操作，對指定地址的寄存器進行讀寫操作。

    在進行DMA讀寫操作過程中，同時通過ChipScope Analyzer工具捕獲各模塊的端口數據來驗證DMA讀寫操作過程中數據傳輸的正確性。以DMA讀為例，如圖8所示，接收引擎模塊從PCIe IP硬核接收信號trn_rd，解析得到有效數據，接收緩沖FIFO讀取其有效數據并輸出dout信號，SDRAM存儲器讀取信號SDR_Din并進行存儲。對比PC發送的原始數據和SDR_Din信號數據，得知DMA讀操作正確。從圖7軟件界面可知，DMA讀寫數據長度107 640 B，PC原始數據與經DMA讀寫兩個操作返回的數據全部一致，故而DMA讀寫正確。

    經過多次測試，每次通信數據總量不少于100 GB，并未在DMA讀寫兩個通道中發現不一致的數據，沒有丟幀和誤碼現象。由此推算，PCIe通信數據誤碼率低于10^-8。

    DMA讀寫速度如表1所示。

    在x4模式下，DMA的加入，寫速率提升了近9倍，讀速率提升了約10倍，并且PCIe總線的平均DMA讀寫速度穩定在500 MB/s以上，均超過16通道的總線測試系統的400 MB/s高速數據傳輸要求。

6 結論

    本文設計實現了UM-BUS總線測試系統中PCIe1.1 x4鏈路通道的應用方案，采用基于FPGA的PCIe總線的DMA數據傳輸方式解決了總線測試系統中PCIe通信接口模塊與PC間的高速數據傳輸問題，并完成了測試系統中的SDRAM高速緩存處理，最后結合WinDriver軟件對PCIe功能進行了測試。測試結果表明，PCIe總線的DMA讀寫速度穩定在500 MB/s以上，均超過UM-BUS總線16通道并發傳輸的總線測試系統的400 MB/s帶寬需求。

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[9] 王齊.PCI Express體系結構導讀[M].北京：機械工業出版社，2010.

作者信息:

孫豐霞1，張偉功1，2，3，周繼芹3，王  瑩1

(1.首都師范大學 信息工程學院，北京100048；

2.首都師范大學 北京成像技術高精尖創新中心，北京100048；

3.首都師范大學 高可靠嵌入式系統技術北京市工程技術研究中心，北京100048)