（机械电子工程专业论文）基于fpga的ts流播出卡的研究与实现.pdf

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 进口的播出卡具有功能强大、稳定性好的优点，能够有效利用数字电视传输 网络带宽资源，并提供2 个以上的a s i ( a s y i l c h r o n o u ss e r i a l i n t e r f a c e ) 输入 输出接口，但其价格昂贵，不能被中小型用户所接受。国产t s 流播出卡种 类很多，但功能不够强大，通常不支持t s 流再复用功能，一般只提供1 个 a s i 输出接口，只能播出一道未经复用的节目数据或复用后的一道节目数 据，通常仅被数字电视设备开发商用于构建测试开发环境，不适合商业应用。 本文设计的t s 流播出卡能够以较低的成本，支持多个a s i 输出通道，支持多 节目复用功能，能以恒定的速率播出节习数据。该播出卡在数字电视领域， 有着广泛的应用前景。 本文主要研究t s 流多节目复用技术与播出技术及其在f p g ar f i e l d p r 0 笋a 衄a b l e g a t e a 玎a y ) 中的实现方法，课题来源于深圳迪威特数字视讯技 术有限公司，项目名称是“码流卡”。 1 2 国内外相关技术发展现状 1 2 1 数字电视产业的发展现状 目前，欧、美、日的数字电视产业已经启动，其模式各不相同，美国数 字电视产业模式的主要特征是大力推广数字高清晰度电视业务，以强制措施 推广地面电视广播，有线和卫星电视业务同步跟进；英国数字电视产业的特 征是只推广高清晰度电视业务，采用卫星、地面、有线全面覆盖的策略，但 对地面广播有所偏重；日本模式特点是通 v b ( d i 舀t “v i d e ob r o a d c 嬲t i n g 数字视频广播) ；日本标准是i sdb(int e g e r a t e ds e r v i c e sd i 西t a lb r o a d c a s t i n g 综合数字业务广播) 。d v b数字广播传输系统 采用了包括卫星、地面、有线传输等通用电视广播传输媒介，分别形成了d v b s 、d v b t 、d v b c 等数字电视传输标准【8 ，9 】。我国到目前为止， 还没有确定采用什么样的数字电视发展模。普遍观点认为，我国数字电 视市场应启用“以有线为主要传输手段，以高清带动整个产业发展，以卫星 解决边远覆盖”发展策略【9 1 们。2 0 0 1 年国家广电总局出台 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 进口的播出卡具有功能强大、稳定性好的优点，能够有效利用数字电视传输 网络带宽资源，并提供2 个以上的a s i ( a s y i l c h r o n o u ss e r i a l i n t e r f a c e ) 输入 输出接口，但其价格昂贵，不能被中小型用户所接受。国产t s 流播出卡种 类很多，但功能不够强大，通常不支持t s 流再复用功能，一般只提供1 个 a s i 输出接口，只能播出一道未经复用的节目数据或复用后的一道节目数 据，通常仅被数字电视设备开发商用于构建测试开发环境，不适合商业应用。 本文设计的t s 流播出卡能够以较低的成本，支持多个a s i 输出通道，支持多 节目复用功能，能以恒定的速率播出节习数据。该播出卡在数字电视领域， 有着广泛的应用前景。 本文主要研究t s 流多节目复用技术与播出技术及其在f p g ar f i e l d p r 0 笋a 衄a b l e g a t e a 玎a y ) 中的实现方法，课题来源于深圳迪威特数字视讯技 术有限公司，项目名称是“码流卡”。 1 2 国内外相关技术发展现状 1 2 1 数字电视产业的发展现状 目前，欧、美、日的数字电视产业已经启动，其模式各不相同，美国数 字电视产业模式的主要特征是大力推广数字高清晰度电视业务，以强制措施 推广地面电视广播，有线和卫星电视业务同步跟进；英国数字电视产业的特 征是只推广高清晰度电视业务，采用卫星、地面、有线全面覆盖的策略，但 对地面广播有所偏重；日本模式特点是通过卫星覆盖推广高清节目，地面广 播进展缓慢。欧洲、美国、日本各自形成了三种不同的数字电视标准，美国 的标准为a t s c ( a d v 蚰c e dt e l e v i s i o ns y s t 哪c 锄m i t t 先进电视制式委员 会) ；欧洲标准是d v b ( d i 舀t “v i d e ob r o a d c 嬲t i n g 数字视频广播) ；日本标准 是i s d b ( i n t e g e r a t e ds e r v i c e sd i 西t a lb r o a d c a s t i n g 综合数字业务广播) 。d v b 数字广播传输系统采用了包括卫星、地面、有线传输等通用电视广播传输媒 介，分别形成了d v b s 、d v b t 、d v b c 等数字电视传输标准【8 ，9 】。 我国到目前为止，还没有确定采用什么样的数字电视发展模。普遍观点 认为，我国数字电视市场应启用“以有线为主要传输手段，以高清带动整个 产业发展，以卫星解决边远覆盖”发展策略【9 1 们。2 0 0 1 年国家广电总局出台 了数字电视的行业标准“有线电视数字广播信道编码和调制规范”，该标准 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第2 章d v b 系统及t s 流播出卡的结构 t s 流播出卡的设计包括功能结构设计和硬件结构设计两个方面，它以 m p e g 2 系统层t s 流的语法分析和d v b c 前端系统功能结构分析为基础。 本章将在研究这些相关技术的基础上，给出t s 流播出卡的功能结构和硬件 结构。 2 1m p e g 2 标准 2 1 1m p e g 2 标准简述 国际标准化委员会的j t c ( j o i n ti s o i e ct e c h n i c a lc o m m i t t e e ) 组织在 1 9 8 8 年成立了m p e g 小组( m o v i n gp i 咖me x p e r t sg r o u p ) ，并授权该小组开 发有关运动图像和数字视频的编码标准。m p e g 小组的工作项目分别按照压 缩的传输速率上限1 5 、1 0 、4 0 m b 口s 分为m p e g 1 、m p e g 2 、m p e g 3 【2 3 1 。 m p e g - 2 标准适应于对运动图像和相关音频信息的编码，它向下兼容 m p e g 1 标准，满足高清晰度电视和高分辨率卫星接收机等方面的要求。目 前全球已经有十多个国家采用了m p e g 2 标准作为数字压缩技术发送广播 电视节目，取得了非常满意的效果。m e p g 2 标准的通用性表现在使用于较 大范围码率的编码，可从几十k b p s 到几百m b p s ，适用于多种图像格式和 多种图像分辨率，适用于多种应用范围和图像质量要求，适用于可视电话、 电话会议、s d t v 和h d t v 等应用。m p e g 2 标准制定了一种趋向于开放型 编码的结构，仅对编码器的码流语法和解码器解码规则做出规定，从而使不 同的应用可进行码流交换，实现业务综合及业务操作【2 l _ 23 1 。 2 1 2t s 流语法结构 根据传输媒体质量的不同，m p e g - 2 系统定义了节目流( p s p r o g r 锄 s t r e a m ) 和传输流( t s t r 姐s p o r ts 仃e 锄) 两种数据流。节目流( p s ) 是一个由 p e s ( 基本码流) 打包复接，载有多个 x 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 扰控制指示数据包内容是否加扰；适应字段控制标志用2 b i t 表示是否存在 自适应区；连续计数器可对t s 包传送顺序计数，接收端按计数值判断是否 存在包丢失或传送错误。包头对t s 包具有同步、识别、检错及加密功能。 传输流和节目流是根据不同的应用而设计的，它们之间并不严格遵守分 层模式，可以从一种模式转换为另一种模式，但不存在子集或超级的关系。 从传输流中抽取一道节目数据的内容并生成节目流数据的操作可以通过普 通的p e s 流分组变换完成。在多层模式中传输流可以跨越多个层次，为的 是更有效、更容易的实现高带宽应用。 2 2d v b c 前端系统 d v b - c ( d i g i t a l d e 0b r o a d c a s t c a b l e ) 即有线数字电视广播，它由前端 系统、网络系统、用户终端三大部分组成。前端系统由电视节目源、视频服 务器、编码解码器、多路复用器、o a m 调制器等部分组成，本文中的t s 流播出卡是视频服务器中的t s 流播出设备，它实现了前端系统中的物理接 口、分组交织、差分编码和基带形成等功能。前端系统可以划分为信号输入 部分、信号处理部分、信号传输部分和系统管理部分四大部分【2 7 ，2 8 1 。前端系 统的功能结构如图2 2 所示： m p e g 2 节目源 数掳 时钟 物 理 接 口 同步 转换 和 能量 扩散 编 码 卷 积 交 织 符号 转换 时钟与同步信号 生成器 差 分 编 码 基 带 形 成 q a m 调制 r f 输电缆 图2 2 前端系统功能框图 f i g 2 2c o n c 印t u a lb l o c kd i a g m mo f e l c m e n t sa tt h ec a b l eh e a d e n d 图2 - 2 中的同步转换和能量扩散模块把通过物理接口输入的节目数据组 - 8 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 合成符合m p e g 2 传输层协议的帧结构，并使用伪随机序列使数据频谱的能 量扩散。r s 编码模块以8 个m p e g 2 数据包为处理单位，把第一个数据包 的同步字节o x 4 7 h 翻转为b 8 h ，对其它7 个数据包加扰，但同步字节不加 扰 2 9 】，并对扰码后的数据使用截短的r e e d s 0 1 0 m o n ( 2 0 4 ，1 8 8 ，t = 8 ) 进行 信道编码。卷积交织模块对r s 编码后的数据进行深度i _ 1 2 的卷积交织， 打乱原数据包的顺序，在送到信道传输时，猝发误码的长度变短，从而达到 提高纠错能力的目的。系统对交织后的数据首先进行b y t e 到符号的变换， 例如6 4 0 a m 是将8 b i t 数据转换成6 b i t 为一组的符号，然后头两个比特进行 差分编码，再与剩余的4 比特转化成星座图中的相应点。d v b c 标准采用 了6 4 q a m 调制，q a m 调制具有良好的性能，对于如s d h 的三次群码率 3 4 3 6 8 m b s 的数据经6 4 q a m 调制后占用不到8 m h z 的带宽。 2 3t s 流播出卡的功能结构 视频服务器和多路复用器及q a m 调制器是前端系统中的关键设备。硬 盘播出服务器是一种低成本的视频服务器，本文设计的t s 流播出卡被用于 硬盘服务器中。该卡不仅具有普通t s 流播出卡的以恒定速率播出节目数据 的功能，还融合了多路复用器的功能，支持p i d 重新分配和多节目传输的 再复用。使用该卡构建数字电视硬盘播出系统时可以节省多路复用器的成 本，达到降低成本、提高设计灵活性的目的。 2 3 1 总体设计 硬盘播出服务器通常采用普通的p c 机，它和t s 流播出卡之间采用p c i 接口，以满足持续播出大量电视节目数据的要求。设计开发p c i 接口的发放 有两种，通常使用专用p c i 接口芯片实现p c i 接口功能，如p l x 9 0 5 4 芯片： 另一种方法是使用f p g a 实现p c i 接口。在f p g a 中设计p c i 接口的方法， 具有很高的灵活性，设计眷能根据需求优化设计p c i 接口逻辑，在同一个 f p g a 中将p c i 接口和用户应用设计紧密地粘合在一起，使系统能减少外界 干扰所引起的误码，具有优异的性能。本文采用了第二种方案，使用f p g a 设计实现p c i 接口。 m p e g 2 传输层协议中把p i d 看作为识别每道t s 数据的唯一标识，为 了在同一个信道中传输多道节目数据，每道节目数据的t s 流要求具有独立 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 合成符合m p e g 2 传输层协议的帧结构，并使用伪随机序列使数据频谱的能 量扩散。r s 编码模块以8 个m p e g 2 数据包为处理单位，把第一个数据包 的同步字节o x 4 7 h 翻转为b 8 h ，对其它7 个数据包加扰，但同步字节不加 扰 2 9 】，并对扰码后的数据使用截短的r e e d s 0 1 0 m o n ( 2 0 4 ，1 8 8 ，t = 8 ) 进行 信道编码。卷积交织模块对r s 编码后的数据进行深度i _ 1 2 的卷积交织， 打乱原数据包的顺序，在送到信道传输时，猝发误码的长度变短，从而达到 提高纠错能力的目的。系统对交织后的数据首先进行b y t e 到符号的变换， 例如6 4 0 a m 是将8 b i t 数据转换成6 b i t 为一组的符号，然后头两个比特进行 差分编码，再与剩余的4 比特转化成星座图中的相应点。d v b c 标准采用 了6 4 q a m 调制，q a m 调制具有良好的性能，对于如s d h 的三次群码率 3 4 3 6 8 m b s 的数据经6 4 q a m 调制后占用不到8 m h z 的带宽。 2 3t s 流播出卡的功能结构 视频服务器和多路复用器及q a m 调制器是前端系统中的关键设备。硬 盘播出服务器是一种低成本的视频服务器，本文设计的t s 流播出卡被用于 硬盘服务器中。该卡不仅具有普通t s 流播出卡的以恒定速率播出节目数据 的功能，还融合了多路复用器的功能，支持p i d 重新分配和多节目传输的 再复用。使用该卡构建数字电视硬盘播出系统时可以节省多路复用器的成 本，达到降低成本、提高设计灵活性的目的。 2 3 1 总体设计 硬盘播出服务器通常采用普通的p c 机，它和t s 流播出卡之间采用p c i 接口，以满足持 x 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 的p i d 。为了保证多道电视节目的节目数据、s i 数据、p a t 数据的p i d 之间 不发生冲突，节目播出系统需要对每道t s 流的p i d 重新分配，以便于电视 节目的管理和传输。本文在t s 流播出卡中采用查找p i d 表的方法，由硬件 实现p i d 重新分配。逻辑设计中处理查找表的方法通常有r a m 方案和 c a m + r a m 方案，尽管第二种方案能够节省逻辑资源，但速度较慢，本文 采用了第一种方案。 本文设计的t s 流播出卡的最大特点是，它支持多节目复用功能。使用 该卡构建硬盘播出系统时，多路复用器并不是系统必需的设备，通过使播出 卡支持多节目复用，兼有多路复用器的功能，节省了硬盘播出系统中的多路 复用器，降低了攘个系统的成本。 a s i 接口是一种按固定速率传输数据规范，d v b c 标准选用了a s i 规 范作为通过同轴电缆传输节目数据的传输规范。本文设计的t s 播出卡符合 d v b a s i 规范，能以3 8 m b p s 的恒定速率传输数据。该卡可以工作在l i n u x 或w i n d o w s 平台。本文使用x i l i n x 公司的f p g a 实现p c i 接口逻辑和t s 流数据处理逻辑。逻辑设计开发工具选用了x i l i n xi s e 6 3 开发软件， m o d e l s i m 6 o 仿真软件和s y n p l i 母p r 0 7 6 综合软件。驱动程序开发环境为 r e d h a tl i n u x 8 o 。 2 3 2 功能结构 t s 流播出卡在完成多节目复用后，生成包含多道节目数据的t s 流。复 用后的t s 流被转换成a s i 输出，经q a m 调制器调制后，通过有线电视传 输网络送到用户终端。为了使用终端户能够无延时、无抖动的接收数字电视 节目和数据，t s 流播出卡的设计中必须考虑视频服务器的数据i o 能力和 播出卡发送数据的能力。根据播出卡的设计改进要求，每个单独的a s i 输 出通道的最大传输带宽为3 8 m b p s ，当三个a s i 通道同时满负荷工作时，p c i 接口的数据传输速率为1 1 4 m b p s ，本文采用了3 3 m h z 3 2 b 的p c i 接口，它 能够满足要求。 ， 本文为了使t s 流播出卡支持p i d 重新分配和多节日复用功能，首先对 输入的t s 流进行分析，按时序关系查找t s 流数据的包同步信号，对输入 的t s 流数据进行同步。t s 流数据的分析和处理操作在f p g a 中实现，主要 完成p i d 置换和多节目复用功能。为了使t s 流播出卡能够连续播出节目数 据，本文使用了大容量的时分复用的数据缓存区缓存数据，t s 数据处理模 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 的转换，本文使用专业芯片完成这个功能。 本文主要完成了t s 流数据处理模块的逻辑改进工作，完成逻辑设计的 仿真、验证和时序收敛工作，并在f p g a 中实现该功能。使设计改进后的 t s 流播出达到扩展节日播出带宽，增加播出节目数目的目的。 2 4 硬件结构 硬件结构由五个部分组成。p c i 接口模块采用x c s 4 0 x l 4 c p 0 2 4 0 芯片 实现，它x i l i n x 公司开发的具有4 万门的等效逻辑资源的s p a t a n x l 系 列f p g a 芯片，具有2 4 0 个引脚。p c i 配置模块由c p l d 和e 2 p r o m 两部 分组成，c p l d 选用了x i l n x 公司的x c 9 5 7 2 x l 芯片，e 2 p r o m 选用了a 1 t i n e 公司的a t 2 9 c 0 l o a 芯片。数据缓存由两个宽度为3 2 位的2 5 6 k 大小的部分 组成，每部分由2 片c y p r e s s 公司的c y 7 c 1 3 2 5 b 1 0 0 a cs d r a m 芯片拼 接而成，数据缓存区共使用了4 片这种s d r a m 芯片。t s 数据处理模块采 用x i l i n x 公司的x c v l 5 0 4 b g 3 5 2 芯片实现，它是具有1 5 万等效逻辑门 电路的r t e x 系列芯片，具有3 5 2 个管脚。t s a s i 转换模块由专用的a s i 转换芯片实现，本文使用的是c y 7 8 9 2 3 芯片，它是c y p r e s s 提供的h o t l i n k 系列芯片，专门完成a s i 接口转换。t s 流播出卡的硬件结构如图2 4 所示： b n c b n c b n c 控制i ( t s 数据处理) p c i 总线数据i 地刈控 苎! ! ! js d r a m- _ _ - 。o u l v l 数据i _ _ _ _ _ _ o - - - - - - - - - - - 一 苎堕! l s d r a m- ho l ， v l 图2 叫硬件结构 f 追2 - 4h a r d w a r ea r c h i t e c t u r e 1 2 东北大学博士学位论文 第五章植物群的古气候意义 第五章植物群的古气候意义 气候环境是植物生活环境的重要生态影响因子，在一定的气候条件下生存的 植物个体和植物群落是经过不断竞争对生态环境条件长期适应的结果，它门在一 定程度下反映了生态环境的气候特点。现代植物群落研究表明，不同气候条件下 的植被蘧貌不同。通过研究地质历史时期各阶段的化石植物群的属种组成及其形 态结构、地理分布，结合无机环境标志，就可以推测古植物群生活的古气候条件。 对于义县组形成时期的古气候环境，存在不同的意见 1o ”。本文通过对义 县组植物群的叶相特征、孢粉植物群的组成特征以及木化石年轮及其解剖特征的 分析，揭示了义县组植物群所指示的古气候环境。 5 1 植物群反映的古气候特征 5 1 1 植物群的性质所反映的气候特点 现代及地史时期，地球上的植被面貌往往随着受纬度控制的气候带的变化而 不同，不同的气候条件形成的植被类型也不刚”7 “29 1 。如：现代植物从热带到寒带， 从低地到高山，呈常绿林、落叶林、针叶林和草原而分布，不同的气候条件下形 成的檀被类型是不同的，气候分带决定了植物的分布和性质。因此，依据现实主 义类比原则，可以对古植物的组成特征、组成分子进行分析，来推断地史时期的 古气候状况。 从植物群的组成特征及其组成分子看( 图5 1 ) ，当前植物群中松柏类植物占比 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 3 1 1p c i 总线信号 p c i 应用系统中，取得总线控制权的设备被称为“总线主控设备”，被主控 设备选中进行通讯的设备称为“总线目标设备”。p c i 总线的接口信号线可 分为必须和可选两种，目标设备至少需要4 7 条信号线，主控设备至少需要 4 9 条信号线。设计中的主要信号的定义如表3 1 所示： 表3 1p c i 主要信号说明 t a 由l e3 - lp c ib u ss i g n a l 信号类型描述 a d 【3 1 ：0 】 1 y s 3 2 位地址数据线 c ，b e 【3 ：0 】# 1 y s 命令字节使能 f r a m e #s ，r s 帧周期信号 t r d y 抖 s 厂r ，s目标设备准备就序 i r d y 岸s 厂r ，s主控设备准备就序 d e v s e l 群s t ，s目标设备选中 s t o p 样s ，r s目标设备请求停止数据传输 i d s e l i n配置空间读写片选 c l ki n总线时钟 r e s e t 拌系统复位 r e q 拌 t s 总线占用请求 g n t 岸1 y s 总线占用允许 p _ a r 岸 t s- 奇偶校验 p e r r # s ，r ，s 数据奇偶校验出错报告 s e r r 群o d系统错误报告 数据地址线a d 【3 l ：o 】是系统和p c i 设备进行数据，地址传输的通道，数 据线和地址线采用分时复用的策略，在地址周期，a d 3 1 ：0 传输地址，在数 据周期，a d 3 1 ：0 传输数据。c b e 3 ：o 】# 在地址周期传送总线命令，在数据 周期传送字节使能。队r 则对a d 【3 1 ：o 】和c m e 【3 l ：o 】进行校验。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 3 1 2p c i 总线命令 p c i 总线上的地址和数据采用分时复用策略，每次p c i 总线传输可分为 个地址周期和若干个数据周期，并在需要的情况下插入若干个等待周期。 每次数据传输都在f r a m e 撑变低的第一个时钟上升沿开始。地址周期一次 只传输一个地址数据，在地址周期，c b e 【3 ：0 上传输总线控制命令，在数 据周期，c b e 【3 ：0 】上传输的是数据字节使能字。p c i 规范规定的总线控制命 令如表3 2 所示： 表3 2p c i 总线命令 t a b 】e3 2p c ib u sc 0 l m n a n d c b e 3 ：o 命令类型 c ，b e 3 ：o 】 命令类型 0 0 0 0 中断响应 1 0 0 0 保留 0 0 0 1特殊周期1 0 0 l保留 0 0 1 0i o 读1 0 1 0读配景空间 0 0 1 1i ，o 写1 0 1 l写配置空间 0 1 0 0保留1 1 0 0存储器重复读 0 1 0 1保留1 1 0 l双地址周期 0 1 1 0 读存储器 1 1 1 0在线读存储器 0 1 1 1 写存储器 1 1 1 1 存储器及使能无效 3 1 3p c i 总线的读写操作时序 本文中的t s 流播出卡支持猝发模式数据传输。在地址周期，总线的主 控设备锁定地址和总线命令，并译码以确定目标设备，目标设备将起始地址 锁存到地址计数器并按数据周期递增该地址。 在读操作时序，一旦f r a m e 撑信号有效，地址周期就紧接着开始， f r a m e 撑有效的第一个时钟周期为地址周期，此时a d 【3 1 ：o 】上传输有效地 址，c b e 3 ：o 】撑上含有一个有效的总线命令。在地址周期后的若干个数据周 期，a d 3 l ：o 】线上传输数据信号，而c b e 3 ：o 】样传输字节有效信号。在数据 周期，若总线主控设备已为发送数据作好准备，则将i r d t 撑有效；若总线目 啥尔滨工业大学工学硕士学位论文 标设备已为接收数据做好准备，则置t r d y 捍有效。数据传输在i r d y 和 t r d y 拌同时有效时才能进行，这两个信号中的任何一个无效时，总线都会 自动插入等待周期。p c i 总线的读操作时序图如图3 2 所示： c l k1 ：n ：n ：，弋：h ：九! n 己 7 r a m #_ 、 l 总线周刊 a d _ 一 数据 多施两硪数据3 c b e 群 _ ( 总线命议 枷 臻 姑 舞 i r d y 拌再 迎 龄 啦| 。 i 辎辎 钟 魁 撼 t r d y | ”| ) e v s e i撑 | 数据周期 数据周期数据周期 图3 2p c i 读操作时序图 f i g 3 - 2p c ir e a do p e r a t i o n 写操作与读操作类似，在f r a m e 撑信号有效预示着地址周期的开始。 在写操作中，a d 【3 1 ：0 】一直由总线主控设备驱动，不需要总线周转周期。p c i 写操作时序如图3 3 所示： 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 c l k 弋巾：n ：n ：九：，1 1 九：， _ 一 7 r a m #- l a d _ 地址数痒数据l l 馘据3 c ，b e 撑 镪线命奄) ( 摇i捏 谊l 。 i 啦l职 “ 船 啦 出 i r d y # l嗽l 寒孬 茹 蜘 氅 瓣l积| 嗽 t r d y 拌 ， | ) e v s e 峥 j 图3 3p c i 写操作时序 f i g 3 - 3p c iw r i t eo p e r a t i o n 在数据传输过程中，总线的主控设备和目标设备都可以终止当前总线数 据传输。通常情况下，总线主控设备可以通过设置f r a m e 撑无效和i r d y 撑 无效来指示最后一个数据周期，目标设备通过设置s t o p 撑信号有效请求中 止数据传输，然后由主控设备终止数据传输。若只有一个数据周期，f r a m e 撑 信号有效应在地址周期过后随即撤销。 3 2 基于i p 的p c i 接口设计 本文在f p g a 中基于p c ii p 设计实现p c i 接口，这种设计方法的主要 优点在于它的灵活性和快速性，设计开发人员可以根据系统的需求优化p c i 接口；另一个优点是能够将用户应用设计和p c i 接口逻辑实现在同一个 f p g a 芯片中，减少i ，o 数目和信号线数目，、实现紧凑的系统设计，并能直 接通过仿真来验证整个设计是否正确，降低调试难度，缩短开发周期3 0 川。 f p g a 具有动态配置的特性，在系统升级时只需要对可编程逻辑芯片重新编 程，而不需要修改p c b 版图。 p c ii p 核在功能上相当于专用p c i 接口芯片，它以网表或h d l 文件的 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 形式提供给用户，可以和用户逻辑一起实现在一块f p g a 芯片中。目前，几 乎所有的可编程逻辑芯片生产厂商都提供经过严格测试验证的商用p c ii p ， 使用p c i 核能够降低p c i 接口逻辑的设计难度。本文采用了x i l i n x 公司提 供的l o g i c c o r e p c l 3 3i p 。 3 2 1 基于i p 的p c i 接口设计原理 基于i p 核的设计方法( c o r eb a s e dd e s i g nm e t h o d o l o g y ) 是实现系统级芯 片设计的有效方式，本文采用x i l i n x 公司提供的p c ii p 核，使用现场集成 的方法，充分利用现场集成技术的灵活性，实现p c i 接口与用户应用设计。 p c ii p 和用户应用设计在f p g a 内部通过寄存器和连线资源黏合在一起。在 综合和布线时，必须使用i p 核厂商提供的布局布线约束引导文件，以保证 p c i 接口能满足时序要求。设计原理如图3 4 所示： 图3 4 基于p c ii p 的p c i 接口设计原理 f i g 3 - 4p r i n c i p l eo fp c ii pb a s e dp c ih t 盯f a c ed e s i g n 3 2 2 基于i p 核的系统集成设计流程 i p 核是集成了复杂逻辑并预先定义和验证的模块。基于i p 核设计的优 势在于缩短设计时间，降低设计风险，通过高层次设计集成，提高系统的整 体性能。基于i p 核的系统集成技术的关键在于采用自顶向下的设计流程： 概念设计、总体结构、功能划分、逻辑设计、物理设计、布局布线后的验证 p ”。整个设计流程包含设计输入、设计实现和设计验证三个阶段。每个设 计阶段由不同的设计任务组成。在设计输入阶段，完成用户应用设计的开发 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 和项层集成；在设计实现阶段，使用综合器把包含用户应用设计和i p 核的 顶层设计综合成网表，使用布局布线器生成包含延时信息的布线后网表；在 设计验证阶段，使用功能仿真、时序仿真、静态时序验证的方法，对布线后 的网表进行仿真和验证，使设计满足功能要求和时序要求【3 l 3 2 。 3 3 用户应用设计 3 3 1p c i 接口模块的功能结构 p c i 接口模块是t s 流播出卡与计算机之间的接口部分，它完成计算机 与t s 流播出卡之间接口信号的逻辑转换，为计算机提供操作控制t s 流播 出卡的接口。本文中p c i 接口模块包含p c i 接口逻辑、p c i 总线控制状态机、 p c i 配置头、基址寄存器、加密授权寄存器、控制状态寄存器、内存寄存器、 本地内存寄存器、d m a 控制寄存器、x c v 配置模块和与x c v l 5 0 的接口模 块。本文完成了各组寄存器的优化设计，以及p c i 接口模块的仿真与验证、 时序约束、综合实现等工作。p c i 接口模块的功能结构如图3 5 所示： p c i 配置头 x c v 数据 控制l 数据 配置模块 控制 配 控制 置 数据地址 数据 f 控制l 数： 暑 地址 控制 p c i c o r e 地址 地址 地 - 口 控制址 地址 口 辎 n o 接 总线控 数 = 2 控制口控制及状态寄存数据 数据 地址寄存器 制器 据 o 地址计数器 控制 控 控制 d m a 控制器制 加密授权寄存器 图3 5p c i 模块功能结构 f i g 3 - 5c o n c 印t 岫lb l o c kd i a g 删no f p c ii n t e r f a c e ( 1 ) p c ic o r e 这个模块是x i l i n x 提供的l 0 9 i c c o r ep c l 3 3i p 固核，它经 一2 0 _ 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 过了严格的验证和仿真，在正确的布局布线约束文件指导下布局布线后，能 满足p c i 规范的时序逻辑要求，实现p c i 接口逻辑的转换功能。 ( 2 ) p c i 配置头p c i 配置头用来存放p c i 设备的配置信息，它和用户逻 辑一起综合在f p g a 中。 ( 3 ) 总线控制器总线控制器是用户应用设计的核心部分，本文仿真验证 了总线m a s t e r 控制器，这个控制器实现在用户应用设计部分，完成用户应 用设计与p c i c o r e 间的数据接口，控制数据转换过程和播出卡的工作状态。 ( 4 ) 寄存器组寄存器用于播出卡与计算机之间的接口与访问控制，应用 程序通过操作这些寄存器，完成加密操作、d m a 传输控制、交织表读写、 p i d 表读写、x c v l 5 0 、的配置、工作状态监视。x c v l 5 0 配置模块实现3 2 位并行数据的串行化，给出x c v l 5 0 芯片的配置控制信号和配置数据。 3 3 2p c i 接口的设计与实现 设计输入阶段是基于i p 的数字系统设计的第一个阶段，它的顶层设计 的设计包含p c ic o r e 、用户应用设计和p c i 配置空间三个部分。顶层设计实 现在p c it o p v h d 文件中，p c ic o r e 实现在p c i mi c v h d 文件中，而用户逻辑 被实现在u s e r a p p v h d 文件中。用户应用设计包含p c i 总线控制器、t s 播出 卡控制寄存器、x c v 配置等模块。 总线控制器是一个有限状态机，它的输入信号有r e s e t 、s t a nm a s t e r 、 l i c e n s e 髓a 、ma d d rn 、md a t a 、c o n t r 0 1 、b l o c kc n t 、t r e n d 、i ps e l 等信号。 这些关键信号的说明如下： ( 1 ) r e s e t 这个信号是全局复位信号，r e s e t 信号有效后状态机被初始化。 ( 2 ) l i c e n s c _ e n a 这个信号是加密控制信号，当输入的l i c e n s e 与p c i 接口 中的1 i c e n s e 相匹配时，这l i c c l l s ec n a 有效。 ( 3 ) s t a n - n l a s t e r 这个信号表示需要传输的数据已经到达p c i 总线，开始 启动一次猝发模式数据传输。 ( 4 ) m _ a d d u l 这个信号表示发起数据传输的总线主控设备处于地址传 输周期。 ( 5 ) c o n t r o l 这个信号是宽度为7 位的信号，c o i l t r o l ( 0 ) 表示总线处于数据 传输周期，总线主控设备和总线目标设备准备就序，数据被写入卡上数据缓 存区。 ( 6 ) i n d a t 8 这个信号表示主控设备进入数据传输周期。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 过了严格的验证和仿真，在正确的布局布线约束文件指导下布局布线后，能 满足p c i 规范的时序逻辑要求，实现p c i 接口逻辑的转换功能。 ( 2 ) p c i 配置头p c i 配置头用来存放p c i 设备的配置信息，它和用户逻 辑一起综合在f p g a 中。 ( 3 ) 总线控制器总线控制器是用户应用设计的核心部分，本文仿真验证 了总线m a s t e r 控制器，这个控制器实现在用户应用设计部分，完成用户应 用设计与p c i c o r e 间的数据接口，控制数据转换过程和播出卡的工作状态。 ( 4 ) 寄存器组寄存器用于播出卡与计算机之间的接口与访问控制，应用 程序通过操作这些寄存器，完成加密操作、d m a 传输控制、交织表读写、 p i d 表读写、x c v l 5 0 、的配置、工作状态监视。x c v l 5 0 配置模块实现3 2 位并行数据的串行化，给出x c v l 5 0 芯片的配置控制信号和配置数据。 3 3 2p c i 接口的设计与实现 设计输入阶段是基于i p 的数字系统设计的第一个阶段，它的顶层设计 的设计包含p c ic o r e 、用户应用设计和p c i 配置空间三个部分。顶层设计实 现在p c it o p v h d 文件中，p c ic o r e 实现在p c i mi c v h d 文件中，而用户逻辑 被实现在u s e r a p p v h d 文件中。用户应用设计包含p c i 总线控制器、t s 播出 卡控制寄存器、x c v 配置等模块。 总线控制器是一个有限状态机，它的输入信号有r e s e t 、s t a nm a s t e r 、 l i c e n s e 髓a 、ma d d rn 、md a t a 、c o n t r 0 1 、b l o c kc n t 、t r e n d 、i ps e l 等信号。 这些关键信号的说明如下： ( 1 ) r e s e t 这个信号是全局复位信号，r e s e t 信号有效后状态机被初始化。 ( 2 ) l i c e n s c _ e n a 这个信号是加密控制信号，当输入的l i c e n ? 譬薹薹i 劐篓 翟雾i i j 暑青鬻藿涵。戳i ；刚i g 鞫- 件霎； ! i ! ! ；笈l g 鼙生引髦辖蓑骘戥篓甄副垩剽量葶凰f 阁彗薹i 知薹；萋蓊 殖耄一羹蔷晶褡掌翕管嚣崔； 垂l 鬻譬譬；“譬拓型譬孕南臻尝骥琶编辑旃耐凳醣磁谣覃塞莆引 髫翻阱j x 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 信号被置位高电平，表示数据传输结束。本文采用独热编码方式，提高了状 态机的工作效率，减少了毛刺产生的概率。总线控制器的状态机如图3 6 所 示： s e l m a s t e f o l i c e n s c - e = o m a d d m = 1 图3 6 总线控制器状态机 f i g 3 6b u sm a s t e rf s m 用户应用设计中的另外一个重要的部分是x c v 配置模块，它完成 x c v l 5 0 芯片的配置控制。此模块与应用设计中的x c v l 5 0 配置寄存器、控 制寄存器、操作状态寄存器，以及l i c e n s ee n a 使能信号有关。控制寄存器 是x c v 配置模块控制字在t s 播出卡上的地址，用户可以通过驱动程序访 问控制寄存器和配置数据寄存器操作该模块，配置数据被写入配置寄存器， 而x c v l 5 0 的工作状态可以通过访问操作寄存器获得。x c v 配置模块的端 口定义如下：r s t 为复位信号输入端口；d i 为3 2 b i t 位宽度的配置数据输入 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 端口；v r e a d y 是配置数据准备就绪，请求下一个配置数据传输；p c l c l k 是系统时钟输入端口；c f g i n g 是配置状态输出端口；c f g b e g 信号为配置 开始的控制信号，它的定义如下： 蠛黼戮溅耀震翦慧燮鬻辫纛黧l 畿缫瀑黼鬻鬻黧鬻攀糕攀骥蒸i i 攀 m e m - c s = l 表示该p c i 设备被总线仲裁器选中，并进入数据传输周期； w r _ m e i l c m d 是p c l c m d ( 7 ) 命令字，它表示存储器写允许；m e i n _ a d d r 是 控制寄存器的译码结果，若m 咖一a d d r 值等于x c v j f g _ a d d r ，表示该操作为 x c v l 5 0 配置操作。l o a d 是总线控制器的输出信号，它的定义为： 剿麟黼瀛纂 v d 为配置数据的输出信号，p r o g r a m 为x c v l 5 0 芯片的配置前的复 位信号，c c l k 是配置时钟信号，这些信号由x c v l 5 0 配置模块给出，被送 往x c v l 5 0 芯片，完成对f p g a 芯片的配置和初始化操作。x c v l 5 0 配置模 块的控制状态机包含u s e rs 、b e gs 、c l e 盯s 、r e a ds 、s h i f ts 五个状态，分 别表示空闲、配置开始、x c v l 5 0 芯片重新复位、加载数据、配置数据移位。 状态机的输入信号有c f g b e gm i s 、p r o 掣锄h 0 1 d 、i n i t 、d o n e 、l o a d 、c o l l l l t e r 等信号，输出信号为v r e a d y 、c f g i n g 、v d 、p r o g r a m 、c c l k 等信 号。x c v l 5 0 配置状态机状态的v h d l 语言定义如下： 黧秘寨鬻谶骥疆黼麟输时，各p c i 目 标设备都会检查总线地址是否在自己的地址范围内，若总线地址在某个目标 设备的地址范围内，该目标设备把相应的d e v e s en 信号置为低电平，告 诉主设备目标设备被选中。目标设备对接收到的a d 【3 l：o 】和c b ，e 【3 ：o 】数据 进行奇偶校验，若发生奇偶校验错，则设置p a r 信号有效，指示数据传输 本文完成了p c i 接口模块的综合、仿真、验证和时序收敛工作。 p c it o p v h d 文件顶层设计文件，它集成了p c ic o r e ( p c ii p 核) 部分和 u s e r a p p 部分( 用户应用设计) 。p c ic o r e 是固核，它由x i l i n x 公司提供， 以网表的形式存在，这部分不需要被综合器综合，综合时要使用与综合器相 关的关键字，如s y l l o p s y s 综合器的s y n 叩s y st r a n s l a t e - o f f 和s ”o p s y s t r a l l s l a t eo n 关键字，将其设置为黑盒。为了保证综合后的p c ii p 能够满足 p c i 接口逻辑转换的功能和时序要求，x i l i n x 公司提供了对p c ii p 进行综合 和布线指导的约束与引导文件。为了保证p c ii p 实现后的能够满足设计的 时序要求，p c ii p 的缺省名称必须为p c ic o r e ，p c ii p 的所有引脚必须使 用约束文件中定义的名称与顶层模块的i o 端口相连接。p c ic o r e 与 u s e r a p p 相连接的端口信号必须与约束文件中所提供名称相同，以保证这 些连线信号不被综合器自动综合掉或优化处理。用户逻辑以p i n g 模块被