（通信与信息系统专业论文）基于fpga的多通道dma控制器的ip核设计.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 当前，随着电子技术的飞速发展，智能化系统中需要传输的数据量日益增大， 要求数据传送的速度也越来越快，传统的数据传输方式已无法满足目前的要求。在 此前提下，采用高速数据传输技术成为必然，d m a ( 直接存储器访问) 技术就是较 理想的解决方案之一，能够满足信息处理实时性和准确性的要求。 本文以e d a 工具、硬件描述语言和可编程逻辑器件( f p g a ) 为技术支撑，设计 d m a 控制器的总体结构。在通道检测模块中，解决了信号抗干扰和请求信号撤销问 题，并提出并行通道检测算法；在优先级管理模块中提出了动态优先级端口响应机 制；在传输模块中采用状态机的设计思想设计多个通道的数据传输。通过各模块问 题的解决及新方法的采用，最终设计出基于f p g a 的多通道d m a 控制器的i p 软核。 实验仿真结果表明，本控制器传输速度较快，主频达i o o m h z 以上，且工作稳定。 关键词：直接存储器访问，i p 核，e d a 工具，硬件描述语言，f p g a a b s t ra c t a tp r e s e n t ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g y ，t h ei n t e l l i g e n t s y s t e m sr e q u i r ei n c r e a s i n ga m o u n ta n dg r o w i n gf a s to fd a t at r a n s m i s s i o n t h et r a d i t i o n a l t r a n s m i s s i o nm e t h o d sh a v e b e e nu n a b l et om e e tc u r r e n td e m a n d s b a s eo nt h e s er e a s o n s ， i ti sn e c e s s a r yt oa d o p tt h eh i g h - s p e e dd a t at r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y d m a ( d i r e c t m e m o r ya c c e s s ) t e c h n o l o g yi so n eo ft h eb e s ts o l u t i o n sw h i c hc o u l dm e e tt h e r e q u i r e m e n t so fr e a l t i m ea n da c c u r a c yf o ri n f o r m a t i o np r o c e s s i n g d e p e n d i n go ne d at o o l s ，h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g ea n dp r o g r a m m a b l el o g i c d e v i c e s ( f p g a ) ，t h ep a p e rd e v e l o p st h ew h o l ef r a m ef o rd m a c o n t r o l l e r i tr e s o l v e s s i g n a la n t i - j a m m i n ga n dr e q u e s ts i g n a lr e v o c a t i o na n dp r o p o s e sp a r a l l e lc h a n n e lt e s t m e t h o di nc h a n n e lt e s tm o d u l e ，a sw e l la sp r o p o s e sd y n a m i cp r i o r i t yr e s p o n s em e t h o di n p r i o r i t ym a n a g e m e n tm o d u l ea n da d o p t ss t a t em a c h i n et od e s i g nd a t at r a n s m i s s i o nf o r m u l t i c h a n n e li nt r a n s m i s s i o nm o d u l e t h r o u g hr e s o l v i n gt h ep r o b l e m si ne a c hm o d u l e a n da d o p t i n gn e wm e t h o d s ，f i n a l l y ，t h ei pc o r ei sd e v e l o p e df o rm u l t i c h a n n e ld m a c o n t r o l l e ro nf p g a t h es i m u l a t i o n ss h o wt h a tt h ec o n t r o l l e rw o r k sf a s ta n dt h ec l o c k c a nr e a c hb e y o n d10 0 m h z a tt h es a m et i m e i tr u n sw e l li na c t u a lo p e r a t i o n ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db yp r o f t a n gl i a n g r u i i n s t r u c t o rg a ox u e l i a n k e yw o r d s ：d i r e c tm e m o r ya c c e s s ，i pc o r e ，e d at o o l s ，h a r d w a r ed e s c r i p t i o n l a n g u a g e ，f p g a 华北电力大学硕士学位论文 摘要 当前，随着电子技术的飞速发展，智能化系统中需要传输的数据量日益增大， 要求数据传送的速度也越来越快，传统的数据传输方式已无法满足目前的要求。在 此前提下，采用高速数据传输技术成为必然，d m a ( 直接存储器访问) 技术就是较 理想的解决方案之一，能够满足信息处理实时性和准确性的要求。 本文以e d a 工具、硬件描述语言和可编程逻辑器件( f p g a ) 为技术支撑，设计 d m a 控制器的总体结构。在通道检测模块中，解决了信号抗干扰和请求信号撤销问 题，并提出并行通道检测算法；在优先级管理模块中提出了动态优先级端口响应机 制；在传输模块中采用状态机的设计思想设计多个通道的数据传输。通过各模块问 题的解决及新方法的采用，最终设计出基于f p g a 的多通道d m a 控制器的i p 软核。 实验仿真结果表明，本控制器传输速度较快，主频达i o o m h z 以上，且工作稳定。 关键词：直接存储器访问，i p 核，e d a 工具，硬件描述语言，f p g a a b s t ra c t a tp r e s e n t ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g y ，t h ei n t e l l i g e n t s y s t e m sr e q u i r ei n c r e a s i n ga m o u n ta n dg r o w i n gf a s to fd a t at r a n s m i s s i o n t h et r a d i t i o n a l t r a n s m i s s i o nm e t h o d sh a v e b e e nu n a b l et om e e tc u r r e n td e m a n d s b a s eo nt h e s er e a s o n s ， i ti sn e c e s s a r yt oa d o p tt h eh i g h - s p e e dd a t at r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y d m a ( d i r e c t m e m o r ya c c e s s ) t e c h n o l o g yi so n eo ft h eb e s ts o l u t i o n sw h i c hc o u l dm e e tt h e r e q u i r e m e n t so fr e a l t i m ea n da c c u r a c yf o ri n f o r m a t i o np r o c e s s i n g d e p e n d i n go ne d at o o l s ，h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g ea n dp r o g r a m m a b l el o g i c d e v i c e s ( f p g a ) ，t h ep a p e rd e v e l o p st h ew h o l ef r a m ef o rd m a c o n t r o l l e r i tr e s o l v e s s i g n a la n t i - j a m m i n ga n dr e q u e s ts i g n a lr e v o c a t i o na n dp r o p o s e sp a r a l l e lc h a n n e lt e s t m e t h o di nc h a n n e lt e s tm o d u l e ，a sw e l la sp r o p o s e sd y n a m i cp r i o r i t yr e s p o n s em e t h o di n p r i o r i t ym a n a g e m e n tm o d u l ea n da d o p t ss t a t em a c h i n et od e s i g nd a t at r a n s m i s s i o nf o r m u l t i c h a n n e li nt r a n s m i s s i o nm o d u l e t h r o u g hr e s o l v i n gt h ep r o b l e m si ne a c hm o d u l e a n da d o p t i n gn e wm e t h o d s ，f i n a l l y ，t h ei pc o r ei sd e v e l o p e df o rm u l t i c h a n n e ld m a c o n t r o l l e ro nf p g a t h es i m u l a t i o n ss h o wt h a tt h ec o n t r o l l e rw o r k sf a s ta n dt h ec l o c k c a nr e a c hb e y o n d10 0 m h z a tt h es a m et i m e i tr u n sw e l li na c t u a lo p e r a t i o n ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db yp r o f t a n gl i a n g r u i i n s t r u c t o rg a ox u e l i a n k e yw o r d s ：d i r e c tm e m o r ya c c e s s ，i pc o r e ，e d at o o l s ，h a r d w a r ed e s c r i p t i o n l a n g u a g e ，f p g a 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于f p g a 的多通道d m a 控制器的 i p 核设计，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究 工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：导师签名：，蕾哆 日期：矿? ；_ 华北电力大学硕十学位论文 1 1 选题背景及研究意义 第1 章绪论 在信息化高度发达的当今社会，随着电子技术的发展，电子系统开始向集成化、 大规模、高速度的方向发展，智能化系统中要求传输的数据量日益增大，传送的速 度越来越快。在此前提下，只有采用高速数据采集、传输技术才能满足信息处理 的实时性和准确性的要求。所以，如何设计性能优良的高速数据采集、传输电路一 直是电子系统设计的关键问题，也是现代电子信息实时处理系统的重要环节。在传 统数据采集系统中，简单的i o 接口方式与控制方法已不能满足实时操作的要求。 因为简单的i o 操作是一种软件控制的接口方式( 查询方式或中断方式) ，它的特 点是依靠程序控制，每次传送数据都需要c p u 执行若干条指令，因而传输速率受 c p u 指令运行速度的限制。而且p c 机在对数据采集过程进行控制时，大多采用采样 一点转换一点，读取并存储该点数据的方案：另外，在对数据的存储过程中，若从 输入设备传送数据到存储器，首先必须将数据传送至u c p u ，然后再从c p u 传送到存储 器，反过来数据输出时也类似。因此，在对数据的采样、传输频率要求不太高时上 述方法是方便而可行的，但对于高速数据采集以及要求成批交换数据的场合，就显 得速度太慢了。所以基于这种方式的系统不但数据传送速度慢，c p u 也不具备并行 处理能力，使之实时性较差心1 。 另外，现在一些专用或通用芯片中，如a s i c 、d s p 、s o c 等都有很高的运行速 度和数据处理能力，可以达到几百兆的系统时钟，但该速度是以存储在芯片内部存 储器中的程序和数据为前提的d ，。现在芯片大都采用多总线的哈佛结构h ，数据总 线和程序总线相互独立，即指令存取和数据存取并行不悖。但在芯片外部，所有总 线都合并在一起了。因此为了发挥芯片的高速运算能力，首先必须把程序和数据传 输到芯片的内存中；另一方面，芯片总要和外部信号打交道，从外部输入的信号， 经过处理后，还要存储或输出给其他设备，不仅如此，数据的输入、输出常常是连 续不断的，因此传输过程的快速与否直接影响芯片能力的发挥。 其实，上面所遇到的问题大致相同，就是当需要在两个存储器之间，或者在存 储器和外设之间，再或在两个外设之间频繁的进行数据存取操作时，如果这些操作 都需要通过c p u 来参与，势必会耗费大量的时间，降低c p u 的使用效率晦1 。但是通 过分析这些操作过程发现，整个过程并不需要任何的逻辑运算，完全可以不需要c p u 的干预，或者只需要很少的干预。在这种情况下，则可以使用d m a 的数据传送方式 来完成，从而可以大大提高系统的工作效率3 。 华北电力大学硕士学位论文 1 2d m a 技术概述及发展动态 1 2 1d m a 技术概述 d m a 是直接存储器访问( d i r e c tm e m o r ya c c e s s ) 的缩写，是指数据传送时不 需要c p u 的干预，i o 设备和存储器之间直接进行大量数据信息交换的传输方法。 图卜1 所示为d m a 工作流程图7 l 。 图l ld m a 工作流程图 一个典型的d m a 传输过程如下随们： ( 1 ) i o 设备向d m a c ( d m a - c o n t r o l l e r ，d m a 控制器) 发出d m a 请求。 ( 2 ) d m a c 在接到i o 设备发出的d m a 请求后，向c p u 发出总线请求，请求c p u 脱离对总线的控制，而由d m a c 接管系统总线。 ( 3 ) c p u 在执行完当前指令的当前总线周期后，向d m a c 发出总线响应信号。 ( 4 ) c p u 脱离对系统总线的控制，处于等待状态( 但一直监视d m a c ) ，由d m a c 接 管对系统总线的控制。 ( 5 ) d m a c 向i o 设备发出d m a 应答信号。、 ( 6 ) d m a c 在存储器与i o 设备之间进行数据传输，通过地址总线送出地址， 通过数据总线送出数据，通过控制总线向存储器和i 0 设备发出读、写信号，从而 完成一个字节的传输，并修改地址指针继续传输。 ( 7 ) 当设定的字节数据传输完毕后( 由d m a c 自动计数) ，d m a c 将总线请求信号 变成无效，同时脱离对总线的控制，c p u 检测到总线请求信号变成无效后，也将总 华北电力大学硕士学位论文 线响应信号变成无效，c p u 恢复对系统总线的控制，继续执行被d m a c 中断的当前指 令的当前总线周期。 d m a 技术实质上是由硬件设备代替c p u 接管总线并负责数据传输，省去了由c p u 负责传输时所必须的寻址指令。d m a 传输方法与编程i 0 及中断驱动i 0 传输方 法相比，具有传输速度快、i 0 响应时间短、c p u 额外开销小的明显优点，它将c p u 从频繁的数据传送控制中解放出来，使之不再频繁地中断正在处理的任务，也就不 再需要做频繁的保护断点、恢复现场等工作，可使整个系统的性能大大提高，非常 适合在没有复杂处理操作或者需要高速大量数据传输的场合。因此，在p c i 、h d l c 、 s c s i 这样的高速信息交换环境中，便显示出了它不可取代的优势，有着十分广阔的 应用前景n 0 1 。 1 2 2 发展动态 随着智能系统、网络设备、通信设备的复杂度的提高，所需要处理的数据量逐 渐增大，在数据传输中应用d m a 技术已经成为必然。国外的很多芯片厂商，如i n t e l 、 t i 、p h i l i p s 、s a m s u n g 等都把d m a 控制器集成到了其相应的芯片产品中，作为一个 片内外设供开发者使用。同时，国外的芯片厂商也有一些成熟的d m a 专用控制芯片 在销售。在f p g a 领域，n i o s 软核处理器是个新兴的产品，在它的开发软件s o p c b u i l d e r 中也提供了d m a 外设，用户可以轻松调用，做适当修改后即可集成到自己 的设计中去3 。 很多芯片厂商也在开发更高速的通信接口，用于连接p c i ，h d l c ，s c s i 等高速 总线，高速u d m a 已经在p c 机上应用。 1 3 相关技术及国内外发展现状 1 。3 1e d a 技术 电子设计自动化( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ，简称e d a ) ，是2 0 世纪9 0 年代初从c a d ( 计算机辅助设计) 、c a m ( 计算机辅助制造) 、c a t ( 计算机辅助测试) 和 c a e ( 计算机辅助工程) 等概念发展而来的n 别。 2 0 世纪7 0 年代，随着中小规模集成电路的开发应用，传统的手工制图设计印 刷电路板和集成电路的方法已无法满足设计精度和效率的要求，因此工程师们开始 进行二维平面图形的计算机辅助设计，这就产生了第一代e d a 工具n 驯。到了8 0 年 代，为了适应电子产品在规模和制作上的需要，应运而生了以计算机仿真和自动布 线为核心技术的第二代e d a 技术n 钔。其特点是以软件工具为核心，通过这些软件完 成产品设计、分析、生产、测试等各项工作。进入9 0 年代以来，电子信息类产品 的开发明显出现了两个特点：一个是开发产品的复杂程度加深，另一个是开发产品 的上市时限紧迫。所谓开发产品的复杂性是指设计者往往要将更多的功能、更高的 性能和更丰富的技术含量集成到所开发的电子系统中。所谓产品开发的时限性，是 3 华北电力大学硕士学位论文 指在产品的市场寿命期间，应让产品早日上市n 副。由于电子系统的复杂性增强，用 户迫切需要更高级、更快速的电子设计自动化工具，由此也就产生了以高级硬件描 述语言、系统级仿真和综合技术为特征的第三代e d a 技术。它的出现，使设计师们 摆脱了大量辅助设计工作的束缚，而把精力集中于创造性的方案与概念构思上，从 而极大地提高了设计效率，缩短了产品的研制周期引。 本文这里所讲的e d a 技术主要是指第三代e d a 技术，即以计算机为工具，在e d a 软件平台上，根据硬件描述语言( h d l ) 完成的设计文件，自动地完成逻辑编译、 化简、分割综合及优化、布局布线、仿真，直至对特定目标芯片( 大规模可编程逻 辑器件) 的适配编译、逻辑映射和器件编程等工作n7 1 。有了第三代e d a 技术，设计 者的工作仅限于利用软件的方式来完成对系统硬件功能的描述，在e d a 软件工具的 帮助下，选择合适的f p g a c p l d 器件，就可以得到最后的设计结果。尽管目标系统 是硬件，但整个设计和修改过程如同完成软件设计一样方便和高效。因此，现代e d a 技术真正实现了硬件“软 化和软硬件协同设计。 从广义上讲，第三代e d a 技术主要包括各种可编程逻辑器件( p l d ) 、高级硬件 描述语言及其相应的e d a 工具软件。其中硬件描述语言是硬件设计人员和e d a 工具 之间的界面，用于数字电路、电子整机系统的行为描述、电路模拟和自动化设计。 e d a 工具和技术逐步走向成熟，以硬件描述语言和逻辑综合为基础的自顶向下的电 路设计方法己经开始在工业界流行起来n 引。硬件描述语言在电子系统硬件设计中的 作用与编程语言在软件领域的作用是一样的。随着电子系统向集成化、大规模、高 速度的方向发展，使电子系统设计越来越复杂。通常对门级电路采用的逻辑图、布 尔方程等描述方法，由于其过于复杂、难以管理，己经变得难以使用。而对于复杂 的数字电路系统，在高层逻辑级的抽象层次上，这些古典的方法无法对整个系统做 出简单、精确的描述。因而在自顶向下的设计方法中，一般都要采用硬件描述语言。 它的功能主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 在电子系统的行为级抽象层次上进行精确而简练的描述： ( 2 ) 设计文件易于仿真和验证： ( 3 ) 作为e d a 工具的设计输入手段： ( 4 ) 生成硬件产品的各类报告文件和用户手册： ( 5 ) 实现软件和硬件的联合设计，消除了硬件、软件开发之间的时间差： ( 6 ) 易于作硬件设计修改。 e d a 工具的出现，给电子系统设计带来了革命性的变化。随着i n t e l 公司 p e n t i u m 处理器的推出，a 1 t e r a 、x i l i n x 等公司几十、上百万门规模的f p g a 、c p l d 的上市，以及高速、高密度印刷电路板的应用，e d a 技术在仿真、时序分析、集成 电路自动测试、高速印刷电路板设计及操作平台的扩展等方面都面临着新的巨大挑 战。这些问题实际上也是新一代e d a 技术未来发展的趋势。目前，以高层系统设计 4 华北电力大学硕十学位论文 为主导，以性能优化为目标，融合逻辑综合、性能仿真、形式验证和可测性设计， 具有深亚微米工艺的物理级设计和整体规划设计能力的e d a 工具正在逐步成熟。此 外，随着i n t e r n e t 网络的迅猛发展。未来的e d a 技术还将实现电子系统设计方法 的划时代变革一一异地网络化协同设计和协同验证引。 1 3 2 ip 复用技术 i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 的含义是指知识产权、著作权等心引，在电子设 计领域可以理解为实现某种功能的设计。i p 核是指完成某种功能的虚拟电路模块， 一般将i p 核分为软核、硬核和固核三种。软核包括逻辑描述( r t l 和门级 v h d l v e r i l o g - h d l 代码) 、器件内部连线表和能用外部仪器进行的可测性设计软核 可经用户修改，以实现所需要的电路系统，它主要用于接口、编码、译码、算法和信 道加密等对速度性能要求范围较宽的复杂系统。硬核的设计与工艺已完成且不能更 改，其具体形式有存储器、模拟电路和总线器件等。用户得到的硬核仅是产品功能 而不是产品设计，因此，硬核设计的知识产权的保护也较简单。固核是一种介于软核 与硬核之间的i p 核，可根据用户要求作部分修改。固核允许用户重新定义关键的性 能参数，有的内部连线表也可以重新优化，其使用流程与软核相同。 目前，大量的i p 产品已经开始销售和使用，各种微处理器、通用串行接口、 中断控制器、并行输入、输出接口、数字信号处理器、p c i 总线以及各种存储器等 都有其商品化的i p 核可供选用心。基于i p 复用的开发给设计者带来了诸多的便利， 如节省时间、缩短开发周期、避免重复劳动等。在电子设计已经向系统级发展的今 天，i p 复用技术已经引起世界范围的关注，越来越多的设计者认识到它的优越性， 并努力推动基于i p 复用设计技术的发展。 为了便于i p 核的开发和复用，需要制定一个统一的标准。最近一些半导体厂商、 e d a 公司、i p 公司联合成立了虚拟插座接口协会v s i a ( v i r t u a ls o c k e ti n t e r f a c e a s s o c i a t i o n ) ，制定关于i p 产品的标准和规范，即虚拟插座接口v s i ( v i r t u a ls o c k e t i n t e r f a c e ) 标准心引。此外，还成立了虚拟元件交易所v c x ，以加强i p 信息的交流。 我国也十分重视i p 产业的发展。近年来，我国在i p 产业上也有了很大的动作，i p 产 业正在从概念阶段向实用阶段过渡。但总的来讲，现在整个i p 产业尚不成熟，行业规 范的不健全和交流渠道的缺乏限制了i p 产业的发展。另外，文档编制、i p 验证和i p 评估等问题也有待解决晗朝。 虽然i p 技术的发展还存在许多问题，如i p 版权保护、i p 保密、i p 集成等， 但是，基于i p 复用的技术必将成为未来电子系统开发的主流技术之一，将来i p 核 的使用将会像现在逻辑门一样方便易用。 1 3 3f p g a 在电子系统设计中的应用 自从1 9 8 4 年美国x “i n x 公司率先发明f p g a 的概念以来，f p g a 技术随着亚微 米c m o s 集成电路制作技术的成熟和发展，器件集成度不断增大，器件价格不断下 5 华北电力大学硕士学位论文 降。f p g a 以其现场设计、现场修改、现场验证、现场实现的可达数万门级的数字系 统单片化的应用优势，逐渐受到各国电子系统应用领域的设计工程师广泛的关注和 欢迎。时至今日，f p g a 技术不再是a s i c 技术领域的一个点缀和补充，而跃之为电 子应用( 包括通信技术、计算机应用、自动控制、仪器仪表、a s i c 设计) 领域广受 欢迎的实用技术，成为数字系统的科研实验、样机试制、小批量产品的即时实现的 最佳途径嵋制。 正是在这样的背景下，f p g a 及其应用技术在全世界范围内，成为电子系统设计 领域的热门技术。世界上一些主要的微电子技术公司，立足自身的技术特长，在f p g a 器件性能、价格、新品种方面相互竞争，推陈出新。世界上主要的e d a 公司，纷纷 在e d a 工具上开发f p g a 应用设计接口，推动了f p g a 应用设计的通用化。同时，器 件的新功能、新构思不断出现，令人振奋地看到，采用通用设计方法，现场实现用 户的单片电子系统，已不是遥远的梦想，电子设计的传统方式将发生变革。图卜2 是基于e d a 工具的f p g a 设计流程心引。 图1 - 2 基于e d a 工具的f p g a 设计流程 概而论之，f p g a 技术的最新发展主要有如下三个特征乜6 2 7 1 ： ( 1 ) f p g a 的器件品种不断推陈出新。 f p g a 在器件品种方面，由单一的数字型f p g a 发展为超大规模的数字f p g a ，新 型的模拟f p g a ( 亦称f p a a ) ，具有数字f p g a 和模拟f p g a 混合的m i x e ds i g n a lf p g a ( 亦称f p m a ) 。 ( 2 ) f p g a 的功能扩展和在线编程技术意义深远 f p g a 技术最新发展的另一特征，反映在所谓功能扩展和现场编程技术方面。在 6 华北电力大学硕士学位论文 原来离线的串并行格式编程技术基础上，创新产生了所谓的在线可编程技术( i s p ) 和动态可重配置技术( 或称c a c h el o g i c ) 。使f p g a 器件不仅仅是现场可编程的， 而且允许用户在线编程，动态容量可扩展，从而进一步提高了f p g a 技术的应用灵 活性，降低了应用系统的实现成本。 ( 3 ) f p g a 的应用推动电子系统设计技术的变革 f p g a 技术不同于一般集成电路应用技术，其依赖着并带动着电子系统设计技术 的变革，f p g a 技术应用推动着e d a 设计方法、设计工具的进步，改变着系统设计人 员的设计思想，单片系统的通用化设计技术的雏形已经展现在人们面前，必将使 a s i c 技术应用和普及迈向新的台阶。 在国内，研发人员也在积极拓展f p g a 的应用领域，国内每年对f p g a 的需求量 巨大。与c p u 和d s p 一样，f p g a 是国家信息产业的重要基础，是国家层次上一个具 有战略性的高技术，在互联网、高速无线通信、高速图像处理、现代军事装备和载 人航天等方面有着不可替代的作用。尽管f p g a 的全球市场如火如荼，但在我国， 还没有一款自己制造的f p g a 产品，国家每年用于购买f p g a 的外汇高达数千万美元。 同时，由于没有核心技术和产品，在应用上也会受制于人。因此，我国有必要在这 方面开展深入的研究，力争开发出拥有自主知识产权的f p g a 产品，填补空白。目 前，f p g a 芯片的研制已经被列为国家“十一五”重大专项，国内科研院所也在积极 研发，目前已有部分产品成功投片。 1 4 本文所做的工作及主要内容 本文根据当前电子系统数据传输量大，性能要求高的特点，以e d a 工具、硬件 描述语言和可编程逻辑器件( f p g a ) 为技术支撑，设计了一个多通道d m a 控制器的 i p 软核。由于采用软核设计方式，使本设计在功能上，可以根据用户的实际需要作 必要的修改，在使用上，既可以集成到芯片设计中，亦可作为专用的d m a 芯片，具 有一定的技术优势。功能仿真和时序仿真的结果表明，本设计工作稳定，主频较高， 工作速度快，且实际模拟运行良好，对工程应用具有一定的参考价值。全文的主要 工作和结构安排如下。 第一章阐述了论文的选题背景及研究意义、d m a 技术及其发展动态，同时对设 计中所用到的其他技术及国内外发展现状也进行了简要介绍，起到总领下文的作 用。 第二章是本文的重点章节之一。首先根据当前电子系统的性能要求，提出了自 行设计的d m a 控制器总体结构图，并对控制器的工作流程详细阐述。之后对各功能 模块的设计思想分别加以详述，包括：r e g i s t e r s ( 寄存器组) 中寄存器的设置原则 及功能分配；c h a n n e lt e s t ( 通道检测) 模块对各通道请求标志信号的检测与清除， 其中在信号抗干扰、信号检测方法以及请求信号的撤销上提出了新的方法；c p u 7 华北电力大学硕士学位论文 i n t e r f a c e ( c p u 接口) 模块对控制器内寄存器组的初始化配置：t i m i n gc o n t r o l ( 时序控制) 模块对各功能模块的时序控制和管理；p r i o r i t , ym a n a g e m e n t ( 优先 级管理) 模块对各通道请求的响应原则，提出了一种动态优先级的端口响应机制， 并采用固定优先级和动态优先级相结合的方法：t r a n s m i s s i o n ( 传输) 模块对数据 的准确传输和传输结束时对各标志信号的及时处理。提出了采用状态机设计传输模 块的新思想。 第三章也是本文的重点章节。使用e d at 具( q u a r t u si i ) 及硬件描述语言 ( v e r i l o g - h d l ) 对c h a n n e lt e s t 模块、c p ui n t e r f a c e 模块、p r i o r i t ym a n a g e m e n t 模块、t r a n s m i s s i o n 模块进行程序设计及调试、优化。每个模块均给出了功能仿真 波形和时序仿真波形，对设计中遇到的问题，也进行了深入的分析并给出了详细的 解决方案。最终将设计原代码形成i p 软核，可以嵌入到不同系统中重复利用，减 轻了设计负担，提高了设计利用率。同时在较高的系统频率下，提高了数据传输速 率。 第四章是调试验证，基于实验室现有的康芯公司g w 4 8 系列e d a s o p c d s p 实验 开发平台，设计了调试原理电路，目的是对已设计好的d m a 控制器进行实际环境下 的模拟验证。通过验证表明，本设计运行良好，工作稳定。 ， 第五章对论文工作进行了总结，并对下一步研究工作进行了展望。 8 华北电力大学硕士学何论文 第2 章d m a 控制器总体结构设计 2 1d m a 控制器总体结构及工作机理 2 一1 d m a 控制器总体结构 如图2 - 1 所示，为本文设计的d m a 控制器的总体结构图。 图2 1d m a 控制器总体结构图 当前智能化系统中数据处理量越来越大，传输速度越来越快，对电子系统的数 据吞吐量提出了更高的要求。根据这些情况，本文设计的d m a 控制器主要功能指标 为：目前暂定为8 个通道，通道号为0 7 ，为多路数据采集、传输提供方便，目标 是做到单通道数据传输速率达到千兆比特以上；每个通道都可以独立编程、独立初 始化，具有各自的请求及响应信号端口；每个通道分配1 6b i t 的公共数据输入总 线、1 6b i t 的公共地址总线、1 6b i t 的公共数据输出总线，最大寻址空间为6 4 k 。 各通道实现了并行检测、实时处理：优先级结构可编程选择：多种传输方式选择， 地址增量可加可减。控制器由r e g i s t e r s 模块、c h a n n e lt e s t 模块、c p ui n t e r f a c e 模块、t i m i n gc o n t r o l 模块、p r i o r i t ym a n a g e m e n t 模块、t r a n s m i s s i o n 模块等几 个部分组成。因为设计的是i p 软核，软核的特点就是设计灵活性大，适应性强， 可以根据客户的要求进行适当的修改，为后续设计留出了很大的发挥空间。 9 华北电力大学硕七学位论文 2 ，1 2 工作机理 控制器主要分两种工作状态：空闲周期和工作周期。当无通道提出数据传输请 求时，d m a 控制器就工作在空闲周期。在这个周期内，c p u 将通过c p ui n t e r f a c e 模块对d m a 控制器进行初始化( 对内部寄存器组写入) ，也可以读取寄存器组的内 容，这也是一般接口类器件的工作方式，即只有在工作之前进行合理配置，才能实 现其功能。当c h a n n e lt e s t 模块检测到有通道提出数据传输请求时，就将请求寄 存器中相应位置位，p r i o r i t ym a n a g e m e n t 模块根据优先级类别及提出请求的通道 号，转向工作周期的不同的工作状态。在工作周期中，控制器向c p u 发出占用总线 的请求，当c p u 处理完当前时钟周期时，给d m a 控制器响应信号。控制器收到c p u 响应信号后，就可以占用总线，并给外设( 或存储器) 反馈响应信号，通知外设( 或 存储器) 开始d m a 传输。之后由t r a n s m i s s i o n 模块完成整个数据的传送并负责给 外设送出传输结束信号及撤销占用总线信号。这里采用状态机心剐来实现空闲周期和 工作周期的控制，在设计程序时，显得方便、清晰。 。 2 2d m a 各功能模块详述 2 2 1r e gis t e r s 模块 控制器内部的寄存器组并不是一个单独工作的模块，而是融合于各模块的设计 中，密切配合各模块的工作，各功能模块也只有在寄存器组的协调下才能完成其功 能。所以，寄存器组在整个控制器中占有很重要的地位，依靠寄存器组把各模块的 工作协调起来，实现了控制器的整体功能。因此，这里有必要把寄存器组单独提炼 出来，说明其设置思想及功能分配。控制器内部寄存器组共包括4 3 个寄存器，分 别为： ( 1 ) 源地址寄存器( o r i r e g o - - o r i r e 9 7 ) ：8 个1 6 b i t ； ( 2 ) 源字节数寄存器( o r i c o u o o r i c o u 7 ) ：8 个x1 6b i t ； ( 3 ) 目的地址寄存器( a i m _ r e g o 一- a i m _ r e 9 7 ) ：8 个1 6b i t ； ( 4 ) 目的字节数寄存器( a i m _ c o u o a i m c o u 7 ) ：8 个1 6b i t ； ( 5 ) 模式寄存器( m o d r e g o m o d _ r e 9 7 ) ：8 个8b i t ； ( 6 ) 请求寄存器( r e q r e g ) ：1 个8b i t ； ( 7 ) 请求屏蔽寄存器( s h i r e g ) ：1 个x 8b i t ； ( 8 ) 状态寄存器( s t a t e ) ：1 个1 3b i t 。 其中，源地址寄存器和目的地址寄存器解决数据从哪里取，存到哪里去的问题， 每次传送完毕后，源地址和目的地址寄存器加2 或减2 ( 以字节为单位) ；源字节数 寄存器用于存储需要传送的字节数，在传送过程中，会逐渐减少至零：目的字节数 寄存器和原字节数寄存器的值相同，并同时变化，便于c p u 进行查询，是否已将规 定字节数传送完毕：模式寄存器用于存储传送模式，在传送开始时，需要首先读取 1 0 华北电力大学硕士学位论文 模式寄存器各位的值，确定传送模式；请求寄存器的8 位分别用于记录8 个通道的 请求情况，当有通道提出传输请求时，相应位被置位，当传输完毕时，则该位请求 撤销；请求屏蔽寄存器用于决定该通道是否打开，在寄存器组初始化时对其进行配 置；状态寄存器用于记录传送进行的状态，便于c p u 监视，以便使程序能够正确流 转。 2 2 2o h a n n elt e s t 模块 d m a 控制器共8 个通道，各通道均有自己的请求信号输入端，为r e q o - - - r e q 7 。 内部有一个8 位的请求寄存器r e q r e g 7 ：0 ，用来存储各通道请求情况。在每个时 钟周期，控制器都会对各通道的请求信号进行采样，当发现有通道提出数据传输请 求时，即请求信号r e q i ( i = 0 一- 7 ) 有变化，控制器检测到这个变化后，就把请求 寄存器中相应位r e q r e g i 置位。当已提出请求的通道得到响应，并且传输结束信 号有效时，控制器就将请求寄存器的相应位复位。 在开始设计时，由于请求寄存器的置位依靠对请求信号的检测，只要请求信号 高电平就置位，低电平则复位。所以考虑将通道请求信号从开始提出传输请求到响 应、到数据传输结束这段时间一直保持有效，直到传输结束信号有效，请求信号才 撤销。这就出现了两个情况：一，因为在请求信号保持的整个过程中，外界随时都 有干扰信号出现的可能，当干扰信号使请求信号发生抖动时，请求寄存器可能在置 位和复位之间来回变化，这将会使控制器误动作为数据传输结束：二，外设须接收 到数据传输结束标志信号，才会把请求信号撤销，但这需有个过程，在这个过程中， 控制器还有可能进行其他的多余动作。这两种情况应该绝对避免，本文提出了对这 两个问题的解决方案。 ( 1 ) 对干扰问题的解决办法 经分析得知，请求信号抖动的原因是未受到任何保护，“裸露 在外部，下面 的处理思路就是将请求信号“保护 起来。采取的解决办法是：对每个通道的请求 信号，都用触发器同步一下，考虑到处理速度和时钟消耗问题，本文暂采用一级d 触发器同步( 如果从更安区的角度考虑，可以设置两级触发器同步) ，之后将采用 相与的办法来准确对请求信号进行采样。本办法的处理思想就是利用d 触发器的数 据锁存功能，将请求信号锁存起来，在时钟信号未到来时不受任何干扰，使问题得 到解决。图2 2 ( a ) 、图2 - 2 ( b