【硕士论文】基于PCIExpress接口的高速数据传输系统.pdf

中北大学学位论文 基于P C IE x p r e s s 接口的高速数据传输系统的设计与实现 捅要 随着高速采集系统、图像采集系统等测试系统的发展，在测试中产生的大容量数据 如何快速传入计算机进行分析处理成为制约系统性能进一步提高及系统功能实现的一 个重要环节。在此背景下，通过研制以L V D S 接口高速接收发送数据并通过P C IE x p r e s s 计算机总线将数据传入计算机的接口卡，实现了将外部数据高速传入计算机。 论文在分析任务及技术指标的基础上，设计了系统总体方案。在硬件实现部分，介 绍了基于P C IE x p r e s s 总线高速数据传输过程中的相关技术，对数据收发的接口及时序、 F P G A 实现P c I 的主模式工作时序、F P G A 实现P C I 的从模式工作时序、F P G A 实现P c I E x p r e s s 总线配置、F P G A 实现D M A 传输、F P G A 进行中断管理及电源分配等技术进行了详 细的描述：在软件部分，结合系统读取数据过程介绍了驱动程序的结构以及为实现高速 数据存盘而采用的多线程技术。在论文的结束部分给出了该接口卡自检、数据读入计算 机等功能的试验过程及数据的分析结果。 本次设计完成的接口卡，是以P C IE x p r e s s 的X 1 接口实现的，如果以X 1 6 接口进 行设计，采用M I D 等技术，系统的性能将会进一步提高。 关键词：P C IE x p r e s s ，F P G A ，L V D S ，高速 中北大学学位论文 D e s i g na n dI m p l e m e n t a t i o no fH i g h - S p e e dD a t aT r a n s f e rS y s t e m B a s e do nP C IE x p r e s sI n t e r f a c e A b s t r a c t A l o n gw i lt h ed e v e l o p m e n to ft e s ts y s t e m ss u c ha sh i g h - s p e e di n t e g r a t e ds y s t e m ，i m a g e c o l l e c t i o ns y s t e ma n dS Oo n , h o wt ot r a n s f e ral a r g ea m o u n to fd a t ap r o d u c e di nt e s t i n g p r o c e s s t oa n a l y z ea n dp r o c e s st h e mb e c o m e st h ek e yp r o b l e mt h a tr e s t r i c t ss y s t e m p e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n t a n ds y s t e mf u n c t i o na c h i e v e m e n t W i t ht h i s b a c k g r o u n d ， l l i g h - s p e e dt r a n s m i s s i o no fe x t e r i o rd a t ai n t oc o m p u t e ri sr e a l i z e db yu s i n gL V D S i n t e r f a c et o r e c e i v ea n dd i s p a t c hd a t ai nh i g hs p e e da n dt r a n s f e r r i n gt h ed a t ai n t oc o m p u t e ri n t e r f a c ec a r d t h r o u g hP C IE x p r e s sc o m p u t e rb u s T h eg e n e r a lp l a no f s y s t e mi sd e s i g n e di nt h i sp a p e r o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt a s ka n d t e c h n i c a li n d e x e s C o r r e l a t i v et e c h n i q u e si nt h ep r o c e s so fh i g hs p e e dd a t at r a n s m i s s i o nb a s e d o nP C IE x p r e s sb u si si n t r o d u c e di nt h eh a r d w a r ep a r t M a n yt e c h n o l o g i e ss u c ha si n t e r f a c e a n dt i m i n gs e q u e n c eo fr e c e i v i n ga n dd i s p a t c h i n gd a t a , p r i n c i p l ea n ds u bo r d i n a r ym o d e w o r k i n gt i m es e q u e n c i n go fF P G Aa c h i e v i n gP C I , F P G Aa c h i e v i n gP C IE x p r e s sb u s c o l l o c a t i o n , F P G Aa c h i e v i n gD M At r a n s m i s s i o n ，F P G Ap e r f o r m i n gi n t e r m i t t i n gm a n a g e m e n t ， p o w e rs u p p l yd i s t r i b u t i o n a n dS Oo na r ed e s c r i b e di nd e t a i l D r i v e rs t r u c t u r ea n d m u l t i t h r e a d i n gt e c h n o l o g ya d o p t e dt or e a l i z eh i g hs p e e dd a t as t o r a g ea r ei n t r o d u c e d i n s o t t w a l ep a r tc o m b i n i n gt h ep r o c e s so fr e a d i n gt h ed a t ab ys y s t e m T h ee x p e r i m e n t a lp r o c e s s o fi n t e r f a c ec a r ds e l f - c h e c k i n ga n dr e a d i n gd a t ai n t ot h ec o m p u t e ra sw e l la sd a t aa n a l y s i s r e s u l ta l el i s t e di nt h ec o n c l u s i o np a r ti nt h i sp a p e r T h ei n t e r f a c ec a r dd e s i g n e di nt h i sp r o j e c ti sa c h i e v e dt h r o u g hP C IE x p r e s sX 1i n t e r f a c e I fi tW a sa c h i e v e dt h r o u g hX 16i n t e r f a c ea n dt e c h n i q u e ss u c ha sR A I Dw o r ea d o p t e d ，t h e s y s t e mp e r f o r m a n c ew i l lb ef u r t h e ri m p r o v e d K e y w o r d s ：P C I E x p r e s s ，F P G A ，L V D S ，H i g h - s p e e d 中北大学学位论文 1 1P C IE x p r e s s 总线产生的背景 第一章引言 在过去的十几年里，P C I 总线是非常成功的一种通用I O 总线标准。尽管它并不能 满足未来计算机设备的带宽需要，但是它的平行总线执行机制依然具有先进性。随着制 造工艺的发展，将会出现I O G H z 的C P U ，高速的内存和显示卡，甚至I Gb p s 和I O Gb p s 的网卡等其他许多需要无限内部带宽的设备。现在是到了出现下一代多用途内部交互总 线标准的时候了。这样就可以保证更新的设备可以被使用，市场也可以成倍的扩大u 3 。 第三代i o 总线结构P C IE x p r e s s ( 3 G I O ) 的出现就是一次革命，它不但能与原来的P C I 设备兼容工作，还可以增强原有设备的性能。P C IE x p r e s s ( 3 G I O ) 的特点就是高性能、 高扩展性、高可靠性、很好的升级性以及低花费，它必然取代现在的P C I 总线心1 。 P C IE x p r e s s 被称之为3 G I O ，是应用于计算机和通信领域外围设备互联的第三代技 术。在计算机领域，第一代总线技术包括I S A ，E I S A ，V E S A ，第二代包括P C I ，A G P ，P C I - X 。 抛开年代久远的第一代互连技术，随着计算机系统中处理器频率和内存带宽的不断增 加，第二代P C I Z I Z 总线接口已经不能满足系统对输入输出的需求b 一1 。 总线接口带宽由数据宽度和数据采样频率相乘得到。从工作频率来看，P C I 总线的 频率随着需求不断增高，频率的增加的确可以增加接口的总线带宽，然而同时会牺牲负 载能力。当P C I X 2 O 版本发展至U 5 3 3 M H z 的极限时钟频率时，原本定义的总线架构实际 上己经成为了点对点的架构，总线已经丧失了再扩展的能力陌1 。从总线数据宽度来看， P C I ，P C I X 总线规范首先定义了3 2 b i t 的数据宽度，随后增加T 6 4 b i t 的数据宽度定义来 增加数据吞吐能力。然而，信号线路越多意味着越难管理时钟一数据偏移，产生了复杂 的P C B 布线规则，因此很难用F R 4 ( 当前的铜P C B ) 技术实现经济型设计。并且，信号线路 的数目增加还会增力H P C B 布线面积，提高功耗。基于以上各种限制，P C I 特别兴趣组 ( P C I S I G ) 在2 0 0 3 年第二季度定义TP C IE x p r e s s 规范1 O 版阳】。 P C IE x p r e s s 技术的产生给行业带来了巨大的发展空间。它采用可扩展的点对点高 速差分信号传输技术，实现极高的单位管脚带宽，并且能够以经济的价格升级到铜信号 中北大学学位论文 技术的极限带宽，使得基于传统P C I 架构的计算机突破I 0 带宽的瓶颈，同时为将来的系 统I 0 需求保留充足的扩展余地。 P C IE x p r e s s 被设计成通用串行i o 互联器件，能够用于针对多种产品的市场领域， 包括台式机、移动器件、服务器、存储设备和嵌入式通信。P C IE x p r e s s 可以用作外设 器件互联、芯片到芯片互联和到其它互联器件( 女1 1 3 9 4 b ，U S B 2 0 I n i f i n i B a n d ”和以太网) 的桥接陋1 。另外，它还能够用于图形芯片组中，用来提高运送图形数据的带宽。 此外，P C IE x p r e s s 还带来了一些新的技术，例如动态电源管理阳3 ( A c t i v e S t a t e P o w e rM a n a g e m e n t ) ，O o S 、热插拔( H o tP l u ga n dH o tS w a p ) 等等。 现在的软件应用越来越依赖于硬件平台，特别是输入输出子系统，日常应用中常常 会出现从视频源和音频源传来的大量的数据流要处理，甚至有许多的数据是要求实时处 理的。比如现在出现的千兆以太网卡就需要极大的输入输出总线带宽，P C IE x p r e s s 就 能够满足它的要求n 刚。P C IE x p r e s s 总线能够提供极高的带宽，来满足系统的需求。如 表1 1 所示： 表1 1P C IE x p r e s s 总线带宽参数 未编码数据速率( 有效的数据速率)编码数据速率 P C IE x p r e s s 通道 单向双向单向舣向 X 1 2 G b p s4 G b p s2 5 G b p s5 G b p s X 4 8 G b p s1 6 G b p sl O G b p s2 0 G b p s X 8 1 6 G b p s3 2 G b p s2 0 G b p s4 0 G b p s X 1 6 3 2 G b p s6 4 G b p s4 0 G b p s8 0 G b p s X 3 2 6 4 G b p s1 2 8 G b p s8 0 G b p s1 6 0 0 b p s 2 中北大学学位论文 图1 1 分别是X l 和X 1 6 的机械图 1 2P C IE x p r e s s 总线的特点与优势 P C IE x p r e s s 迅速得到业界的承认，并被公认为下一代总线标准。它具有鲜明的技 术优势，并可以全面解决P C I 总线技术所面临的种种问题。这种新的总线技术具有以下 关键技术优势2 3 13 | 。 l 、设备之间的点对点串行链接 与P C I 所有设备共享同一条总线资源不同，P C IE x p r e s s 总线采用点对点技术。能够 为每一块设备分配独享的通道带宽，而不需要在设备之间共享资源。这样充分保障了各 设备的宽带资源，并可提高数据传输速率。 2 、双通道，高带宽 在数据传输模式上，P C IE x p r e s s 总线采用独特的双通道传输模式，类似于全双工 模式，大大提高了数据传输速度。对于在传输速度上，1 O 版本的P C IE x p r e s s 每个信道 单方向的传输速率是2 5 G b p s ，而以后版本中每个信道会成倍增加，并且它在物理层上 提供的卜3 2 个可选信道特性，使其充分实现扩展传输的能力。 3 、灵活扩展性 与P C I 不同，P C IE x p r e s s 总线能够延伸到主板之外，采用专用线缆，可将各种外设 直接与系统内的P C IE x p r e s s 总线互连。这样可以允许开发商开发出能够与主系统脱离 的高性能的控制器产品，而不必改用1 3 9 4 或U S B 等其它接口技术。 4 、支持O o S ( t h eO u a l i t yo fs e r v i c e ) 链接配置和公证策略 中北大学学位论文 5 、每个物理链接提供多个虚拟通道 P C IE x p r e s s 总线技术在每一个物理通道中也支持多个虚拟通道。理论上来讲，每 一单物理通道中可以允许有8 个虚拟通道进行独立通信控制，而且每个通信的数据包都 定义不同的优先级。因此这样就能确保实时数据传输时获得充足带宽，从而支持Q o S 协 议。 6 、支持同步数据传输 P C IE x p r e s s 总线设备除通过交换器进行点对点传输外，还可以通过主机桥接器芯 片进行基于主机的传输。 7 、具有数据包和层协议架构 8 、它采用类似于网络通信中的O S l 分层模式，各层使用专门的协议架构，所 以可以很方便地在其它领域得到广泛应用。 9 、具有错误处理和先进的错误报告功能 1 0 、引脚少，节约空间，减少串扰 1 1 、低电源消耗和电源管理功能 除具备电源管理功能外，由于减少了数据传输芯线数量和电压值，所以电源 功耗大降低。 1 2 、支持设备热插拔和热交换 P C IE x p r e s s 总线接口插槽中含有“热插拔检测信号，可以实现如U S B 、I E E E 1 3 9 4 总线那样的热插拔和热交换功能。 P C IE x p r e s s 技术不需要像P C I 总线那样在主板上布大量的数据线( P C I 使用 3 2 或6 4 条平行线传输数据) 。与P C I 相比，P C IE x p r e s s 总线的导线数量减少了将 近7 5 ，特点是在可以加快传输速度的同时，并不要求数据同步传输。另外由于 主板上走线减少，从而使通过增加走线数量提升总线宽度的方法易于实现，同时 走线间隔就可以更宽，减少了相互之间的串扰。 1 3 、在软件层保持与P C I 兼容 跨平台兼容是P C IE x p r e s s 总线非常重要的一个特点。目前被广泛采用的P C I 2 2 设备可以在这一新标准提供的低带宽模式下运行，从而为广大用户提供了一个平滑 的升级平台n 4 1 。 4 中北大学学位论文 鉴于以上所述如此众多的优势，P C IE x p r e s s 已被成为了今后1 0 年内主要的内部总 线连接标准。它不但将被用于台式机、笔记本电脑以及服务器平台上，还会继续延伸到 网络设备的内部连接设计中。 目前P C IE x p r e s s 已在业界被广泛采用，P C IE x p r e s sX 1 6 己全部更新替代A G P 传输显示数据。 1 3P C IE x p r e s s 的发展现状 P C IE x p r e s s 芯片设计复杂度越来越高，设计难度也在不断加大。对于I C 设计者来 说，及时获得合适的、经过验证的第三方I P 并使用，便成了缩短研发时间、加速产品上 市的有效手段。国内外研究现状是以I Pc o r e 作为构建P C IE x p r e s s 的基础。 在标准化I P 方面，X i l l l i x 公司的高端F P G A 芯片V e r t e x 系列中集成高速P H Y 模块，其 数据传输速率高达3 1 2 5 G b p s ，可用于P C IE x p r e s s 和万兆以太网n 钉。 T I 公司于2 0 0 5 年8 月推出分立P C IE x p r e s s 物理层( P H Y ) 芯片。此款芯片可为设计者 提供更大的灵活性，并节省空间。该款P H Y 芯片符合P C IE x p r e s s l 1 标准要求，可完全 兼容其它P C IE x p r e s s 应用。 I B M 公司的产品H s s ( H i g hs p e e ds e r d e s ) I P 硬核系列，最高数据传输率达至f 5 G b p s ， 在业界处于领先水平，且能够提供全系列解决方案。但由于其是硬核，受限于工艺，只 能由I B M S J 造。 目前国内对于P C IE x p r e s s 的研究也在不断发展中，据了解的信息，有多家科研院 所，学校和厂商介入了P C IE x p r e s s 的研究。在研究上国内东南大学处于领先地位，高 速串行总线的研究成果已经形成了系列，包括P C IE x p r e s s 、光纤收发模块，万兆以太 网均以研制成功，且都有良好的性能。但目前为止，在市场上可见的和已商用化的基本 上都是国外的产品。 中北大学学位论文 1 4P C I 与P C IE x p r e s s 技术性能比较 图1 2P C I 结构图 P C I 的特点： P C I 采用并行的信号机制； 传输速率从3 3 M T S 到2 6 6 M T S ； 总线带宽有3 2 b it 6 4 b it 两种； 支持边带( S i d eb a n d ) 信号控制； L o a d S t o r e 架构； 内存，I 0 ，配置； P C I 电源管理； 奇偶和E C C 。 P C I - E 的特点： 串行差分接口； 传输速率达到了2 5 G T s ； 图1 3P C IE x p r e s s 结构图 中北大学学位论文 具有多种传输模式，非常灵活：1 X ，2 X 3 2 X ； I n - b a n d 控制： L o a dS t o r e 架构； 内存，I 0 ，配置和信息； 增强控制机制； 与目前的P C I 软件1 0 0 9 6 兼容； 高级电源管理； 高级R A S ，支持热插拔； 1 支持Q o S ( 服务质量) 。 我们看到，P C I 和P C IE x p r e s s 既有共同点也有差别，最重要的地方被保留了，比 如L o a d S t o r e 架构。由于P C IE x p r e s s 采用串行的机制，好象在计算机中一直都是串 行性能较优，比如串行接口的硬盘V S 并行接口的硬盘。P C IE x p r e s s 较之P C I 也更加灵 活了，比如支持多种传输速率，那么厂商就可以根据自己的需要开发出面向不同用户的 产品n 阳。P C IE x p r e s s 也支持更多先进的技术，比如R A S 和支持热插拔。此外，它也有 个很大的优点，1 0 0 兼容P C I 软件。 1 5 课题背景及研究内容 随着军事电子技术的发展，在空间通信领域，如跟踪与数据中继卫星系统( T D R S S ) 中，为了实现高速数据中继和测距、测速，必须首先解决传输速率高，占用带宽所带来 的问题；在雷达应用领域，各种新体制雷达的出现以及在宽带侦收、电子对抗等不同领 域的应用，同样不可避免地面临高速数据的采集和传输问题；因此，采用新的接口技术 来解决数据传输这一瓶颈问题显得日益突出n 钉。 本课题把记录器存储下来的大量数据通过P C IE x p r e s s 总线接口高速的传向计算 机。如此大批量的，未经过压缩的数据传输要达到实时性和准确性，必须有高速的接口 设备才可以实现。本设计就是针对课题的要求，对大容量数据传输开辟一个高速通路， 开发研究出P C IE x p r e s s 总线接口在外设端应用的传输接口板。其任务主要是提供给计 算机和其他大容量记录器设备连接。考虑到本课题侧重于应用的目的，主要分析了接口 时序及控制芯片的使用，同时完成一套完整的基于P C IE x p r e s s 总线接口高速传输系统 7 中北大学学位论文 的硬件和软件的方案设计并得以实现。主要工作有： P C IE x p r e s s 总线的研究与分析； P C I 总线协议的研究与分析； 基于P C I E 总线接口高速数据传输系统的研究设计； F P G A 配置协议等模块的研究设计；， 驱动程序与应用程序的研究设计。 中北大学学位论文 第二章系统分析设计 本章针对课题的要求明确了系统的具体设计任务和设计原则，由此设计了系统的技 术方案，并将系统划分为不同的功能模块，并讨论了各模块的功能、接口和设计关键。 2 1 系统任务原则和技术指标 2 1 1 系统任务 课题研究的最终目标是设计一个基于P C IE x p r e s s 总线接口的高速数据传输系统。 主要完成对低压差分信号流的数据接收，传输、存储、处理、分析。系统的设计任务具 体如下： l 、接收外部传入串行数据流。 2 、用F P G A 设计配置模块协议，来实现对桥接芯片配置。 3 、通过配置与桥建立通信，经过协议匹配后，通过P C IE x p r e s s 总线实现高速数据传 输。 4 、完成数据存储后进行分析、处理。 针对系统任务，在设计时要遵循以下几个设计原则： ( 1 ) 设计工作要充分。对于系统中需要使用的新型芯片需要在原理设计之前做好 试验，防止原理设计有误导致延长设计周期。 ( 2 ) 设计状态要明确。设计之前要对系统的输入输出条件分析清楚，做好能画出 大致的状态链图。 ( 3 ) 设计的可预见性。由于系统的复杂性，设计周期短，因此所有的设计最好能 进行功能仿真及验证，从而可以发现早期的设计错误和缺陷。 ( 4 ) 设计的可扩展性考虑到系统功能较多，在进行结构设计时应尽可能地采用 一种合理地结构设计方式，使系统具有良好地可扩展能力。 ( 5 ) 设计的时序要同步。同步时序电路的特点使所有输出信号的跳变均由同一个 时钟脉冲控制，利用这种方法能有效消除功能竞争冒险，因此，系统中各个功能模块内 部的时序能同步。 9 中北大学学位论文 ( 6 ) 设计的可测量性。系统在调试时具有好的数据及信号可测量性，能有助于故 障定位及排除。 ( 7 ) 设计的可集成性。本课题是一个复杂的系统，采用大规模集成电路进行制造， 提高了可靠性，降低了成本，缩短了设计时间。 2 1 2 技术指标 1 、输入接口形式tL V D S 2 、数据接收速度：4 0 0 M b s 3 、数据发送速度：4 0 0 M b s 4 、工作环境：X P 5 、系统连续工作时间：1 个小时 6 、拥有自检测功能 7 、高速总线P C IE x p r e s s 8 、数据下载要求：多线程突发读写6 0 M B S 2 2 系统总体结构与设计方案 基于P C IE x p r e s s 总线的高速数据传输系统采用X i l i n x 公司的F P G A ( X C 2 S 5 0 E ) 作 为P E X 8 11 1 的配置协议模块，用P E X 8 111 作为桥接芯片实现计算机P C IE x p r e s s 总线与 F P G A 无缝连接。系统总体设计如图2 1 所示： 1 0 中北大学学位论文 图2 1 传输系统总体框图 从上图中可见系统由4 个主要层次构成，分别解释如下： 1 、主控单元配置协议层 对L V D S 数据接收模块输入的数据进行F I F O 缓冲，通过配置和协议的达成实现与计 算机的数据传输及读数控制功能。 2 、P C IE x p r e s s 总线接口层 P C IE x p r e s s 总线是信息通信接口，使下层的硬件层能够和计算机之间有一个相当 大的数据传输带宽。P E X 8 1 1 1 具有对P C IE 协议良好的支持，可以平滑的从P C IE 协议 过渡到P E I 协议，可大大减少设计者的工作量，提高工作效率。 3 、硬件抽象层驱动程序 由于决定采用W i n 2 0 0 0 X P 操作系统，则硬件的驱动程序必须采用W D M 的组织形式 n 明。这样的驱动程序层次性非常好，而且具有良好的移植性，同时它能提供一个非常友 好的接口给用户层的应用程序，使得应用程序能够与之交互数据。驱动程序编写应遵循 简练可靠、执行效率高等特点。 4 、用户层应用软件 应用软件必须严格根据用户的要求设计编写。在系统设计中，要求应用软件具有读 数、写数、D M A 传输启动、数据打印等功能。 中北大学学位论文 2 2 1 系统的硬件设计方案 整个硬件框图如图2 2 所示，硬件电路部分主要由L V D S 数据接收电路、L V D S 数据 发送电路、F P G A 控制单元、P C IE x p r e s s 接口电路组成。 图2 2 系统框图 L V D S 数据接收模块：R J - 4 5 接口接收到的低压差分信号数据流，在传输的过程中会 遇到一系列的干扰而导致信号的衰减，所以要对衰减后的信号进行补偿，才能保证其数 据传输的可靠性。自适应电缆均衡器就是为了对衰减后的信号作为补偿而设计的。数据 是以串行传输的方式进入的，要满足后续传输需要所以要对其进行解串，转换成并行数 据。在F P G A 中对其解串复杂程度高，可靠性低。L V D S 解串器的设计满足了要求，数据 经过解串器直接转换成了8 位的并行数据。 F P G A 主控配置模块：内部包含了P C I 从模式模块、P C I 主模式模块、D M A 数据传输模 块、F I F O 缓冲模块数据源5 个模块。P C I 从模式模块主要功能是对P E X 8 11 1 寄存器进行 1 2 飘落磁叠纛蒸 筋爹鹭2镕鞴彰静荔；o &#彰氍，蓼#静箍 中北大学学位论文 读写配置操作。使其符合P C I 的协议。P C I 主模式模块主要是对F I F O 进行读写操作， 同时启动D M A 方式，使其读数和写数的过程中符合P C I 协议D M A 数据传输模块主要是为 了提高数据传输的速度，使数据直接写入内存。F I F O 缓冲模块主要是为了使数据传输同 步，时序配合，不丢数数据源的主要功能是由F P G A 内部产生数据，为了方便自检。 P C IE x p r e s s 总线接口模块是通过P E X 8 1 1 1 桥，使P c IE x p r e s s 总线和P C I 总线能 够平滑的过渡，使其能够应用P C I 的协议来完成数据传输。 L V D S 数据发送模块是把计算机传来的数据转换成串行数据，以低压差分的形式发送 出去。 数据传输流程如图2 3 所示 图2 3 数据传输流程图 1 3 中北大学学位论文 ，数据从R J 一4 5 接口进入，经过驱动的补偿，出L V D S 数据接收器件接收并解串，转换 成8 位的并行数据，再经过数据合并，组成3 2 位的数据传到F I F O ，等待同步、时序匹 配后，以D M A 的数据传输方式通过桥接芯片转换成串行的数据，经过P C IE x p r e s s 总线 存到内存里。 写入内存的数据在应用程序和驱动程序的配合下，以文件的形式存入硬盘。之后就 可以利用应用程序对文件进行分析处理。输出原理基本相同，在这里就不做说明了。 2 2 2 系统软件设计方案 建立在P C I E 总线和其接口芯片P E X 8 1 n 理解的基础上，讨论P E X 8 1 1 1 硬件设备在 W i n d o w s 2 0 0 0 下驱动程序的实现原理，并且研究上层应用程序对驱动程序的调用机制。 讨论的重点是参照驱动程序的分层结构，具体驱动程序的实现u 钔。 1 、驱动程序的开发 在该系统中，如何将数据由缓冲区写入到硬盘也是课题的一个关键技术。在D O S 操 作系统下，我们可以通过调用B I O S 中的I N T1 3 H 功能来实现。而在W i n d o w s 系统中不 允许用户直接对硬件进行访问，必须通过一个驱动程序来实现对硬件的操作，这样通过 将缓冲区映射到用户内存空间，当缓冲区半满的时候就可以将数据读走。常用的驱动程 序开发工具有D r i v e rD e v e l o p m e n tK i t s ( D D K ) 、D r i v e r S t u d i o 和W i n d r i v e r 等。D D K 是W n d o w s 2 0 0 0 操作系统提供商微软公司提供的驱动程序开发工具嘲1 ，它提供了完整的 驱动程序开发环境，可以开发出性能优良的驱动程序。D D K 提供了一套庞大的驱动程序 代码库，这些代码都是W i n d o w s 实际的驱动程序代码，开发人员可以自由的使用这套代 码，进行学习或是直接使用，但使用D D K 工具开发的难度较大。D r i v e r S t u d i o 是 C o m p u W a r e 公司出品的全套驱动程序开发工具1 。D r i v e r S t u d i o 能加速开发、调试、调 整和配置V X D ，W D M 驱动程序，把高质量的工具和现代的软件工程实践带到了以前被忽 略的驱动程序开发领域。基于D r i v e r S t u d i o 具有的功能强大、调试方便和使用简便的 特点，课题选用它作为驱动程序的开发工具乜。 2 、应用层软件 软件采用V C 6 O + + 编写，按用户要求运行于W i n d o w s 2 0 0 0 w i n d o w s X P 平台。通过和 人机交互界面，接收用户的设置，然后把这些设置传递至驱动程序中，由驱动程序对硬 1 4 中北大学学位论文 件进行初始化和配置，最后应用程序从驱动程序中读取数据，经过数据处理最终显示和 打印。图2 4 是系统应用程序关系示意图。 2 3L V D S 技术 图2 4 配套软件功能示意图 L V D S ( L o wV o l t a g eD i f f e r e n t i a lS i g n a l i n g ，低压差分信号) 是一种小振幅差分 信号技术。L V D S 在两个标准中定义：1 9 9 6 年3 月通过的I E E EP 1 5 9 6 3 主要面向 S C I ( S c a l a b l eC o h e r e n tI n t e r f a c e ) ，定义了L V D S 的电特性，还定义了S C I 协议中包交 换时的编码；1 9 9 5 年1 1 月通过的A N S I E I A E I A 一6 4 4 主要定义了L V D S 的电特性，并建议 6 5 5 M b p s 的最大速率和1 9 2 3 G b p s 的d x 失真理论极限速率嘲。在两个标准中都指定了与传 输介质无关的特性，只要传输介质在指定的噪声容限和可允许时钟偏斜的范围内发送信 号到接收器，接口都能正常工作。 随着集成电路的发展和对更高数据速率的要求，低压供电和高抗噪性能成为急需。 降低供电电压不仅减少了高密度集成电路的功率消耗，而且减少了芯片内部的散热，有 助于提高集成度。高抗噪性能可以满足更高数据速率的传输要求。因此，提出了L V D S 技术。 L V D S 驱动器由一个驱动差分线对的恒电流源组成，通常电流为3 5 m A ，L V D S 接收 1 5 中北大学学位论文 器具有很高的输入阻抗，因此驱动器输出的电流大部分都流过1 0 0Q 的匹配电阻，并在 接收器的输入端产生大约3 5 0 m Y 的电压。L V D S 驱动和接收器不依赖于特定的供电电 压，因此它很容易迁移到低压供电的系统中去，而性能不变嘲。使用电流驱动，可以增 加抗噪声能力，使用差分信号的原因是噪声以共模的方式在一对差分线上耦合出现，并 在接收器中相减从而可消除共模噪声，提高抗噪声性能。 2 3 1L V D S 数据接收模块 数据接收、处理模块组成： 图2 5 传输系统数据接收、读数控制模块原理图 由L V D S 接收器将串行L V D S 转换为8 位并行有效数据，通过可编程逻辑器件实现系统 与计算机的数据传输及读数控制功能。在计算机发出读取数据命令后，通过总线将数据 存储到读数控制模块F I F O 中，由可编程逻辑器件和桥接芯片通过P C IE x p r e s s 接口将数 据传输到计算机进行数据的处理和分析嗍1 。 长线传输的情况下加一个自适应电缆均衡器来保证长距离传输后对信号衰减的恢 复。自适应电缆均衡器可选用C L C 0 1 2 或C L C 0 1 4 ，这两款芯片为均衡在同轴电缆和双绞线 ( 或具有类似色散损耗特性的介质) 上传输的数据提供了一个低成本的单片集成解决方 案，能自适应地对不同长度的电缆和双绞线进行均衡，均衡的长度从0 I I l 到相当于对信号 在2 0 0 M H z 时衰减4 0 d B 的长度，H P 3 0 0 m 的B e l d e n 型同轴电缆或1 2 0 m 的五类未屏蔽双绞线。 均衡器可对5 0M b p s 6 5 0M b p s 范围内的数据流进行均衡n 鲫。C L C 0 1 4 的性能更好一些。 数据分析模块组成： 本模块主要实现的是对L V D S 传输回来的数据进行分析，看数据是否正确。其主要 1 6 中北大学学位论文 是通过v c + + 编写驱动程序和应用程序来实现。在应用程序中我们可以利用I O 发出读数 命令，利用D M A 实现数据的传输。将读回的数据以二进制文件的形式存储到文件中。我 们在对数据进行分析和处理，来判断数据是否丢失和错误。从而来判断问题出在哪里。 2 3 2L V D S 数据发送模块 在F P G A 主控单元中我能够产生一个数据源，产生的数据由8 位并行数据、一位帧 和一位控制位组成，这1 0 位数据经L V D S 驱动器后转换为串行L V D S 信号，同时加上两 位内嵌时钟，共1 2 位。 为了保证信号长距离传输，避免信号在电缆上造成的衰减，在设计中加上了高速电 缆驱动器。电缆驱动器可以将L V D S 信号增强。可选的电缆驱动器有很多，美国国家半 导体公司生产的C L C 0 0 1 、C L C 0 0 5 和C L C 0 0 6 等都可以很好地增强信号，本设计中选用 C L C 0 0 6 做为驱动。 2 4P C IE x p r e s s 总线技术 2 4 1P C IE x p r e s s 总线系统结构 在P C IE x p r e s s 系统架构中，组件以点对点的方式连接在一起，这保障了系统中的各 个组件都有自己独立的连接通道，极大地改善了系统并行操作的能力。典型P C I E 系统包 含以下组件：R C ( r o o lc o m p l e x ) S w i t c hE n d p o i n tR C 用于连接C P U M e m o r y 和其他I O 设 备，相当于P C I 总线架构中的北桥；S w i t c h 是多个P C I E P C I 桥的逻辑组合器件，实现R C 与 多个I o 设备的逻辑互连；E n d p o i n t 是基于P C I - E 总线或基于P c I 总线的终端设备嘲 随着基于P C I - E 总线的芯片组的问世，P C I E 总线技术已广泛应用于计算机领域为了 兼容P C I 总线设备。在P C I - E 总线架构的微机系统中，通过P C I - E P C I 桥实现2 种总线的连 接。目前微机系统中典型的基于P C I E 总线的系统互连图如图2 6 所示。 1 7 中北大学学位论文 图2 6 P C IE x p r e s s 总线系统结构图 2 4 2P C IE x p r e s s 总线接口信号组 下图为金手指示意图 BA o i V 、- ，工J 工Lf 八t ) l 、1l 拧 kJ - L 1 1r l7 S M D A TP E R S 畔 -L P J L 1r 1 r W A K E 群 C R E F C L K + Jk 一 - L 1 r 重 1r P E T n 0R E F C L K - E J-L 1 r1r P E T p 0 设 P E R p O 1r备、r P R S N T 2 释P E R n O o 1r 1r 一 图2 7P C IE x p r e s s 接口的信号示意图 S M C L K ( 系统管理总线) 时钟信号； S M S A T ：( 系统管理总线) 数据信号； W A K E # ：链路重激活信号； P E T p 0 和P E T n O ：一对通路0 发送器的差分信号； P R S N T 2 # ：热插拔存在检测引脚： 中北大学学位论文 P R S N T I # ：热插拔存在检测引脚； P E R S T # ：基本复位信号； R E F C L K + 和R E F C L K 一：是一对基准时钟差分信号； P E R p O 和P E R n O ：是一对通路0 接收器的差分信号； 其中 # 表示低电平有效。 ， 2 5P C I 总线技术 2 5 1P C I 总线命令 如表2 1 所示是地址周期，总线命令的一览表： 表2 1 总线命令一览表 C B E g 3 ：O 命令类型说明 0 0 0 0 中断应答( 中断识别) 0 0 0 1 特殊周期 0 0 1 0 读I O 端口 0 0 1 1 写I O 端口 0 1 0 0 保留 0 1 0 1 保留 0 1 1 0 存储器读( 从内存空间映像中读数据) 0 1 l l 存储器写( 从内存空间映像中写数据) 1 0 0 0 保留 1 0 0 1 保留 1 0 1 0 读配置寄存器 1 0 1 1 写配置寄存器 1 1 0 0 存储器多行读 1 1 0 l 双地址周期 1 1 1 0 线存储器读取( 存储器一行读) 1 1 1 1 存储器写并无效 C B E # E 3 ：0 在地址周期中表示总线命令嘲，总线命令是选择对端口、存储器还是对 配置寄存器操作以及操作的方式，可以简单的分成下面四类命令。 l 、存储器读取相关的命令：该命令可以分成存储器读取( M e m o r yR e a d ) 、线存储器 读I 玟( M e m o r yR e a dL i n e ) 以及多重存储器读( M e m o r yR e a dM u l t i p l e ) 。其中M e m o r yR e a d 是最基本的命令，线存储器读取和多重存储器读取是为了提升传输性能而设置的。 1 9 中北大学学位论文 2 、存储器写入相关的命令：该命令可分为存储器写入( M e m o r yW r i t e ) 和存储器写入 并无效( M e m o r yw r it ea n dI n v a lid a t e ) 。 3 、端口( I o ) 相关的命令：对I O 端口进行读写。 4 、配置命令( C o n f i g u r a t i o nC o m m a n d ) 对配置寄存器进行读写。 2 5 2P C I 总线交易 一次完整的P C I 总线交易防1 ，包括以下四个阶段： 1 、交易地址段每个P C I 交易都以一个P C I 时钟阶段内的地址段开始。在这个地址段， 主设备驱动地址数据总线( A D 3 1 ：0 ) 上分配范围中的起始地址识别目标设备。同时， 主设备通过驱动命令类型给P C I 命令字节使能( C B E # 3 ：O ) 总线而识别交易类型，主设 备还有效F R A M E 弃信号，表明总