（通信与信息系统专业论文）基于pci总线的卫星数据播放卡的设计.pdf

呈玺鋈；：、业查耋：兰鎏土：竺丝銮 摘要 在卫星地面接收系统的测试过程中，往往需要相应的卫星模拟信号源， 产生与实际卫星信号相似的模拟中频卫星信号。通常可以采用具有信号调制 功能的标准信号源作为卫星模拟信号源。但是，现有的标准信号源往往只提 供p n 码作为原始发送信息，或者提供很小的存储空间( 例如小于1 兆比特) 提供发射用户自定义信息数据。而高速遥感卫星一次发送的图像信息一般为 几十兆、几百兆甚至几于兆字节，现有的标准信号源难以满足这”一需要。因 此，设计一块能够实现将计算机存储大容量数据转化成标准信号源所需的基 带数据即卫星模拟信号源就显得尤为重要，同时也满足了整个系统的地面联 调和演示二【：作的需要。 基于以上目的，本论文对基于p c i 总线的卫星数据播放卡的设计进行了 探讨和研究，对两种实现p c i 接口的方案即采用可编程逻辑器件c p l d 或 f p g a 和采用专用接口芯片进行了比较，并采用第二套方案p l x 公司的 专用接口芯片p l x 9 0 5 4 ：同时，本次课题不仅采用f p g a 芯片实现逻辑控 制及数据处理，而且采用双口r a m 芯片来实现大量数据缓存。根据本次设 计所要实现的功能并考虑到将来的扩展，设计了基于p c i 总线的硬件电路， 制作了实验板，并编制了相应的驱动程序。经反复调试，该板卡能够顺利地 完成数据播放，成功地实现了p c i 总线与外设的接口。 论文从总体方案设计、硬件实现和软件设计三部分较为详尽地讲述了利 用p l x 9 0 5 4 开发p c i 接口的设计方案和实现方法。在总体方案设计中，首 先根据播放卡所要实现的功能对器件选型进行了说明，同时规划出板卡的硬 件部分和软件部分的构成，并埘播放卡的工作过程及工作原理进行了简单的 说明：在硬件实现部分针对各个模块进行了详细地阐述；在软件设计中详细 地阐述了驱动程序的开发。首先介绍驱动程序开发工具及模式的选择，然后 详细讲述了播放卡的w d m 式驱动程序开发及调试过程。 最后，本文给出了播放卡的调试及实验结果，从而验证了本次设计的数 据播放功能实现的可行性。 关键词p c i 总线；p l x 9 0 5 4 ；f p g a 双口r a m ：w d m 譬至鎏王些查耋二兰堡土兰譬鲨；：j ： a b s t r a c t d u r i n gt h e t e s t p r o c e s s o fs a t e l l i t el a n d r e c e i v i n gs y s t e m ，i t i s n e c e s s a r y t o d e s i g ns a t e l l i t es i g n a ls o u r c e ，i no r d e rt op r o d u c es t i m u l a n t i f ( i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y ) s i g n a lt h a tc o n f o r m st oa c t u a ls a t e l l i t es i g n a l s t a n d a r d s i g n a l s o u r c eu s u a l l yc a nb eu s e da ss t i m u l a n ts i g n a ls o u r c e h o w e v e r ，t h ee x i s t i n gs t a n d a r ds i g n a ls o u r c eo n l yu s e sp nc o d ea so r i g i n a l r e c e i v i n gi n f o r m a t i o n ，o ri ti sv e r ys m a l lf o rt h em e m o r ys p a c et h a tp r o v i d e s i n f o r m a t i o nd a t af o rt h eu s e r s i ti sd i f f i c u l tf o rs t a n d a r ds i g n a ls o u r c et om e e t t h ed e m a n do fh i g hs p e e dr e m o t es e n s i n gs a t e l l i t et h a tc a nt r a n s m i tm o r e t h a no n et h o u s a n dm i l l i o nb y t e se v e r yt i m e t h e r e f o r e i ti sv e r yn e c e s s a r yt o d e s i g nas t i m u l a n ts i g n a ls o u r c et h a tc a nt r a n s l a t eag r e a td e a lo fs t i m u l a n t d a t ai n c o m p u t e rm e m o r yi n t o b a s e b a n dd a t a ，w h i c ha l s om e e t st h e r e q u i r e m e n to fl a n dd e m o n s t r a t i o n a c c o r d i n gt ot h ea b o v ea i m ，t h i st h e s i sd i s c u s s e st h et e c h n i q u eo nt h e d e s i g no fd a t ab r o a d c a s tc a r db a s e do np c ib u s c o n t r a s th a sb e e nm a d e b e t w e e nt h et w os c h e m e s ：o n ei st oa d o p tc p l do rf p g aa n dt h eo t h e ri st o a d h i b i ts p e c i a li n t e r f a c ec h i p ，a n df i n n a l yt h ep a p e ra d h i b i t st h es e c o n d s c h e m e - - ，- - p l x 9 0 5 4t od e s i g nt h ei n t e r f a c ec i r c u i tb a s e do np c ib u s ；i n a d d i t i o n ，n o to n l yf p g ai sa d o p t e dt or e a l i z el o g i c a lc o n t r o la n dd a t a p r o c e s s i n g ，b u ta l s od u a l p o r tr a m i su s e df o rd a t ab u f f e r a c c o r d i n gt ot h e f u n c t i o nt h a tt h i sd e s i g nw a n t st or e a l i z ea n di nc o n s i d e r a t i o no fe x t e n s i o ni n t h ef u t u r e ，m a k et h et e s t i n gb o a r da n dp l a yt h ea p p r o p r i a t ed r i v e rc o d e sf o r t h e b o a r d a f t e rr e p e a t e dt e s t i n ga n dd e b u g g i n g ，i tc a nc o m p l e t et h ed a t a t r a n d m i s s i o na n di n p l e m e n tt h ei n t e r f a c eb e t w e e np e r i p h e r a le q u i p m e n ta n d p c ib u ss u c c e s s f u l l y t h ed e t a i l e ds c h e m ea n dr e a l i z a t i o no ft h i sb o a r di sa l s od e s c r i b e dh e r e t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ew h o l ep r o c e s so fd e v e l o p m e n ti nt h r e ea s p e c t s ：t h e d e s i g no ft h ew h o l es c h e m e ，h a r d w a r er e a l i z a t i o na n ds o f t w a r ed e s i g n d u r i n g t h ed e s i g no ft h ew h o l es c h e m e t h ew h o l ec o n t e n ti si n t r o d u c e di nt h r e e a s p e c t s ：t h ec h o i c eo fe a c hc h i p ，t h es t r u c t u r eo fh a r d w a r ea n d s o f t w a r ed e s i g n ， i i 2 尘鎏。! ：些查兰：2 圭耋竺兰兰 a n dt h e o r ya n dp r o c e s so ft h i s b o a r d ；d u r i n gh a r d w a r er e a l i z a t i o n ，e r e r y m o d u l ei sd e s c r i b e di nd e t a i l ；d u r i n gs o f t w a r ed e s i g n ，d r i v e rd e v e l o p m e n ti s d e s c r i b e dj nd e t a i l i tf i r s tt e l l sa b o u tc h o i c eo ft h ed e v e l o pt o o l sa n dd r i v e r m o d e l s ，a n dt h e nd e p i c t st h ep r o c e s so ft h ed e v e l o p i n ga n dd e b u g g i n gw i t h w d md r i v e rf o rt h ei n t e r f a c eb o a r d a t1 a s t ，t h et e s tp r o c e s sa n dt e s tr e s u l ti s p r o v i d e dt ov a l i d a t et h e f e a s i b i l i t yo ft h ed e s i g n sd a t at r a n s m i s s i o nf u n c t i o n k e y w o r d sp c ib u s ，p l x 9 0 5 4 ，f p g a ，d u a l p o r tr a m ，w d m t i i 哈尔滨工业人学工学硕士学位论文 1 1 课题来源 第1 章绪论 本研究课题来源于哈工大深圳国际技术创新研究院所承接的国家8 6 3 项 目。该接收系统基于软件无线电技术，实现了对不同频段、不同速率和不同 制式的高传输速率遥感卫星的数据接收、记录和快速处理任务，其数据速率 可以从几十k b p s 达到上百m b p s 。其主要目的是配合整个接收系统地面联调 演示的需要，采用p c i 总线技术，设计能够模拟卫星数据发射过程的数据播 放卡，其主要功能是利用p c i 总线将计算机硬盘存储的大容量卫星模拟数据 ( 例如巨幅遥感影像) 传送到硬件板卡上的f p g a 处理芯片，在该芯片上完 成数据的编码、成帧等实时处理，最后按指定格式输出串行的基带数据码流， 为后端的调制器提供实时的基带数据源。根据项目的需要，该数据播放卡要 实现的具体指标要求为： ( 1 ) 能够连续实时发射计算机硬盘上的大容量卫星影像数据。 ( 2 ) 能够按照需要的格式对模拟发射数据进行实时成帧处理。 ( 3 ) 支持单路串行输出或i q 两路并行基带数据输出。 ( 4 ) 输出数据速率可编程控制。 如果能实现播放卡的这些性能指标，不仅能为该接收系统提供方便，而 且体现出了它的通用性即能为每个需要大量数据输入的仪器提供方便。本项 目立足于集成和创新，把以前的经验加以总结和实现，并集成现在的高速芯 片的应用。 1 2 本课题研究的目的及意义 随着我国综合国力的不断提高和航天技术的发展，在轨和即将发射的各 类传输型卫星越来越多，相应的需要更多地面实现对这些卫星数据的接收和 处理。传统的地面站方法是采用模拟或数字化程度较低的接收技术，地面站 的功能单一、灵活性差，为了实现不同卫星接收通常需要建立不同的地面站， 这造成巨大的资源和资金浪费，同时给地面的运营和维护带来了很大的困 难。软件无线电技术的发展和数字信号处理技术的进步，为解决这一难题带 来了可能。“自适应综合信息接收系统”的主要研究目的就是通过采用软件无 线电技术，建立完全数字化可编程的卫星地而接收系统，使得通过单一的地 面站硬件设备通过加载不同的软件或设置不同的参数即可实现对不同卫星 信号的接收。该系统可以兼容各种不同调制方式和数据速率，实现多调制体 制( q p s k 、o q p s k 、u q p s k 和m s k 、g m s k ) 、6 4 k b p s 一5 0 m b p s 速率范围 内的可编程数据接收，q p s k 调制方式下的单信道数据接收速率可达到 3 0 0 m b p s ，并具有6 4 k b p s 一3 0 0 m b p s 范围的速率可编程能力。此外系统还能 自动识别接收卫星信号的调制方式，对信号进行自适应解调和实时存储。该 系统建成以后可以为国家节省很多的财力资源和物力资源，更有利于系统的 维护和升级。 在卫星地面接收系统的测试过程中，往往需要相应的卫星模拟信号源， 产生与实际卫星信号相似的模拟中频卫星信号。通常可以采用具有信号调制 功能的标准信号源作为卫星模拟信号源。但是，现有的标准信号源往往只提 供p n 码作为原始发送信息，或者提供很小的存储空间( 例如小于1 兆比特) 提供发射用户自定义信息数据。而高速遥感卫星一次发送的图像信息一般为 几十兆、几百兆甚至几千兆字节，现有的标准信号源难以满足这一需要。但 是，目前标准的信号源一般都提供外部基带调制数据输入功能，信号源能够 将外部输入的基带信号调制到中频并发射。因此。设计一块能够实现将计算 机存储大容量数据转化成标准信号源所需的基带数据，结合信号源的调制功 能，就可以模拟个完整的卫星发射信号，这对整个系统的地面联调和演示 工作都具有重要的意义。此外，本课题设计出的卫星数据播放卡采用标准 p c i 总线结构，硬件结构采用通用化的设计，其内部功能的实现完全采用软 件化的方式，具有很大的灵活性，能够模拟不同卫星信号，不仅可以应用在 本系统的测试和联调工作中，还可以广泛应用到其他系统中。因此，本课题 的研究和设计具有重要的意义。 1 3 国内外相关技术发展现状 1 3 1 数据播放卡的研究现状及分析 国内外对数据播放卡也作了大量的研究，但是许多公司都只是在大的设 计系统中嵌入数据播放功能，并没有专门实现大量数据流( 至少5 0 0 兆大小) 堕玺鎏：；些盎兰三兰竺土：竺鲨兰 由计算机端通过p c i 总线输出到播放卡，并使板卡输出具有较高数据传输速 率的串行数据流的f p g a 芯片设计。而且他们对大部分数据播放卡的设计都 是基于标准i s a 总线的，这种结构的最大缺点是传输速率太低( 5 m b s ) ， 不能实现数据的实时高速传输。随着p c i 总线技术的不断发展，一些国外的 公司在高速数掘传输芯片的设计上技术已渐显成熟，挪威k o n g s b e r g 公司 就是1 个典型”】，它专门做地面站卫星接收数据的采集和处理产品，目前该 公司在地面站卫星数据接收和传输方面的技术比较先进。该公司的m e o s ( t h em u l t i m i s s i o ne a r t ho b s e r v a t i o ns y s t e m ) d i r e c ti n g e s ts y s t e m 系统中的 k s p tm o d e lf u d o5 0 6 0 0 板卡是一块高性能的串行数据输出板卡即播放卡， 它的输出数掘来源于主机的硬盘或内存，可以支持各种数据格式的输出，输 出通道可以灵活配置即可以单路输出，也可以两路输出，可模拟b p s k 或者 q p s k 解调器的输出，实现i 和q 通道的翻转，对数据输出速率可实现单通 道4 0 0 m b p s ，双通道8 0 0 m b p s ，满足不同卫星下行数据速率的要求，时钟也 可做到低于1 0 5 m b p s 条件下具有1 h z 的步长。但是k o n g s b e r g 公司播放卡 的设计未能实现输出数据速率的可编程控制。因此，如果能够实现输出数据 速率的可编程控制，将为以后更高数据输出速率的设计提供平台。 1 3 2p c i 总线的研究现状及分析 随着c p u 的飞速发展，i s a e i s a 逐渐显现出疲态，跟不上时代的步伐。 当初c p u 的速度甚至还高过总线的速度，造成硬盘、显示卡还有其他的外 围设备只能通过慢速并且狭窄的瓶颈来发送和接受数据，使得整机的性能受 到严重的影响。为了解决这个问题，1 9 9 2 年i n t e l 在发布4 8 6 处理器的时候， 也同时提出了3 2 位的p c i ( p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t 外围部件互 连) 总线【1 1 2 】。它相对v e s a 来说优势非常明显，因为它是一种中间性的总 线，独立于c p u ，但又与内存相连。同时p c i 总线能够与处理器异步运行， 额定频率为2 5 m h z 、3 0 m h z 和3 3 m h z 。当处理器的频率增加时，p c i 总线 频率仍然能够保持不变。p c i 允许的最大插槽数或外部设备数为5 个或者更 多，而且还f i 必考虑总线速度、缓冲或其它电器问题的限制。其他的特点则 使得设备的使用更加简便。即插即用功能让系统自动进行外围设备的设置， 而不必再手动设置i r q 跳脚、d m a 和i o 地址。它还允许i r q 共享，有自 己的中断系统。最后，p c i 总线上的数据传输是不经过c p u 而直接处理的， 这样降低了潜伏期和处理器的使用率。到目前为止p c i 总线技术基本上已经 由计算机端通过p c i 总线输出到播放卡，并使板卡输出具有较高数据传输速 率的串行数据流的f p g a 芯片设计。而且他们对大部分数据播放卜的设计都 是基于标准i s a 总线的，这种结构的最大缺点是传输速率太低( 5 m b s ) ， 不能实现数掘的实时高速传输。随着p c i 总线技术的不断发展，些国外的 公司在高速数掘传输芯片的设计上技术已渐显成熟，挪威k o n g s b e r g 公司 就是个典型”，它专门做地面站卫星接收数据的采集和处理产品，目前该 公司在地面站卫星数据接收和传输方面的技术比较先进，该公司的m e o s ( t h e m u l t i m i s s i o n e a r t h o b s e r v a t i o ns y s t e m ) d i r e c t i n g e s ts y s t e m 系统中的 k s p tm o d e lf u d o5 0 6 0 0 板卡是一块高性能的串行数据输出板卡即播放卡， 它的输出数据来源于主机的硬盘或内存，可以支持各种数据格式的输出，输 出通道可以灵活配置即可以单蹿输出。也可以两路输m ，可模拟b p s k 或者 q p s k 解调器的输出，实现i 和q 通道的翻转，对数据输 h 速率可实现单通 道4 0 0 m b p s ，双通道8 0 0 m b p s ，满足不同卫星下行数据速率的要求，时钟也 可做到低于1 0 5 m b p s 条件下具有1 h z 的步长。但是k o n g s b e r g 公司播放卡 的设计未能实现输出数据速率的可编程控制。因此，如果能够实现输出数据 速率的可编程控制，将为以后更高数据输出速率的设计提供平台。 1 3 2p c i 总线的研究现状及分析 随着c p u 的飞速发展，i s a ，e i s a 逐渐显现出疲惫，跟不上时代的步伐。 当初c p u 的速度甚至还高过总线的速度，造成硬盘、显示卡还有其他的外 围设备只能通过慢速并且狭窄的瓶颈来发送和接受数据，使得整机的性能受 到严重的影响。为了解决这个问题，1 9 9 2 年i n t e l 在发布4 8 6 处理器的时候， 也同时提出了3 2 位的p c i ( p e r i p h e r a l c o m p o n e n t i n t e r c o n n e c t 外围部件互 连) 总线【l 2 。它相对v e s a 来说优势非常明显，因为它是一种中间性的总 线，独立于c p u ，但叉与内存相连。同时p c i 总线能够与处理器异步运行， 额定频率为2 5 m h z 、3 0 m h z 和3 3 m h z 。当处理器的频率增加时，p c i 总线 频率仍然能够保持不变。p c i 允许的最大插槽数或外部设备数为5 个或者更 多，而且还4 i 必考虑总线速度、缓冲或其它电器问题的限制。其他的特点则 使得设备的使用更加简便。即插即用功能让系统自动进行外围设备的设置， 而不必再手动设置i r q 跳脚，d m a 和i i o 地址。它还允许m q 共享，有自 己的中断系统，最后，p c i 总线上的数据传输是不经过c p u 而直接处理的， 这样降低了潜伏期和处理器的使用率。到目前为止p c i 总线技术基本上已经 这样降低了潜伏期和处理器的使用率。到目前为止p c i 总线技术基本上已经 哈尔滨工业人学工学硕士学位论文 成熟，能够实现与计算机数据的高速传输。p c i 总线的主要性能指标有：支 持1 0 台外设；总线时钟频率3 3 3 m h z 6 6 m h z ；最大数据传输速率1 3 3 m b s ； 时钟同步方式；与c p u 及时钟频率无关；总线宽度3 2 位( 5 v ) 6 4 位( 3 3 v ) ； 能自动识别外设；特别适合与i n t e l 的c p u 协同工作，尤其p c i 总线最大 数据传输速率可扩展到2 6 6 m b i s ，解决了在总线传输速度上的瓶颈1 3 l 。 虽然p c i 总线技术至今仍是丰流，但实际上就其本质来说它早在几年前 就显得力小从心了。它的数据传输速率只有1 3 3 m b i s ，根本不能满足现在复 杂多媒体数据实时传输的需求，另外它小能随着主频的提高或者电压的降低 而灵活调整传输速率；它的同步始终数据传输受单一上升沿限制，而信号路 由规则又受到经济的f r 4 技术( 一种板材技术) 的制约，接口引脚过多， 不利于将来发展。所有这些限制都促使建立一个更高带宽、通用的i o 总线。 而第三代i 0 总线结构p c ie x p r e s s ( 3 g i o ) 的出现正迎合了目前总线发展 的需求【3 1 ，它彳i 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 ) 的高性能、高扩展性、高可靠性、很好的升级性 以及低花费都证实它取代现在的p c i 总线成为必然。今天的软件应用越来越 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乍就需要极大的输入输出总线带宽，p c i e x p r e s s 就能够满足它的要求。当然对p c i e x p r e s s 还有一些其他更多的要求， 比如在应用平台方面，就要求这种新的输入输出架构能够应用在桌面系统、 移动系统、服务器、通讯系统、工作站、嵌入式系统等等。在兼容性方面要 求与原来的p c i 系统相兼容，不管是底层的操作系统还是设备的驱动程序都 不能有所变化。在性能方面要求与系统频率和附加设备有很好的相容性很 高的每针脚带宽，较低的传输速度和延迟时间。p c ie x p r e s s 是一个很先进 的技术，但是其要发展成熟仍需要很长一段时削。 1 4 本文主要研究内容 本课题研究内容包括： ( 1 ) 总体方案的设计与论证，其中器件的选型、系统的软硬件构成、工 作过程和工作原理的设计考虑进行了详细地阐述。 ( 2 ) 基于p c i 总线的数据播放卡的硬件实现，包括电源、时钟等各个模 块的分析与设计说明。 譬竺耋：些盔兰三兰筌占耋簦鎏兰 ( 3 ) 基于p c i 总线的数据播放卡的软件设计。在这一部分，重点对p c i 驱动程序设计进行了详细地阐述。使用w i n d o w sw d m 方式在v c + + 中独立 编写驱动程序，具有极大的灵活性，但开发周期长，难度相对比较大；使用 w i n d r i v e r 丌发最简单，但只能开发通用驱动，执行效率上有问题且工作频 率不高；使用d r i v e r s t u d i o 封装了一些细节，通过向导即可生成驱动程序框 架，升发比较容易，本次课题选择的是d r i v e r s t u d i o 开发工具，程序的运行 平台是w i n d o w s 2 0 0 0 ，因此我们首先对设备驱动程序的开发进行了相关知识 的研究，然后针对本次设计的播放卡进行了详细的程序说明。 ( 4 ) 调试与测试。在这一部分，主要包括对焊完器件后的板子进行硬件 调试，接着对播放卡的数据播放进行了数据测试以实现播放卡的播放功能。 在硬件调试中，我们对电源芯片输出的电压以及各个芯片通过相应的手段进 行调试，以保证每个芯片环节都能正常工作，这样才能为后端的软件测试避 免不必要的麻烦，也是硬件调试的一般测试方法。在软件测试中，我们通借 助于其它仪器进行联调，充分考虑到干扰、时延等因素，以保证测试环节的 准确性，从而实现播放卡的数据播放功能。 2 1 引言 第2 章系统的方案设计 根据本设计需要实现的功能，在这一章中我们提出了对总体方案的设计 考虑并进行了论证，进而完成了整个系统硬件架构和软件实现的构想。 2 2 总体方案的设计与论证 根据虽初的分析，本次设计拟定采用以下技术方案来实现高速数据播 放设备的研制：采用p c i 总线架构，解决p c i 总线数据传输的瓶颈问题； 采用通用计算机作为系统平台，硬件结构采用模块化通用化设计，大大提高 设备的通用性；采用f p g a 实现实时数据成帧等处理功能，各功能模块化设 计，根据需要可以添加压缩、编码等功能，系统功能可灵活定义。 当然，在设计中也可以通过网口或者串口来实现数据发送。如果使用 网口或者串口，我们可以通过基于a r m 核的微处理器或者单片机来控制网 口或者串口输出，但是网口或者串口的发送数据速率太低，不能满足大量数 据实时高速发送的要求。而p c i 总线采用3 3 m h z 总线频率，3 2 比特总线宽 度，最大数据传输速率可达到1 3 3 m b s ，还可以采用d m a 技术，占用较少 的c p u 处理时间，因此本次设计采用基于p c i 总线架构能够满足系统对数 据发送速率的要求，同时由于p c i 总线可以扩展到6 4 位总线宽度和6 6 m h z 的总线频率，为以后板卡的功能扩展提供了方便。 另外，逻辑控制本次设计可以采用d s p 或单片机来控制各个芯片的逻 辑，但是考虑到我们需要进行数据压缩、成帧等处理，在f p g a 中实现相对 比较容易，也可以节省资源、缩短开发周期和便于扩展。 考虑到上述因素，我们使用p c i + f p g a 的设计架构来实现数据播放功 能。本次设计首先进行了主要芯片的器件选型，下面将从几个方面来选择合 适的芯片： ( 1 ) f p g a 的选择在逻辑摔制方面，f p g a 具有可程式的特性，能平行处 理大量不同的计算，集成度高，速度快，易于实现复杂的逻辑功能。目前， a p e x 2 0 k 是a l t e r a 公司生产的酋款带有多核架构的可编程逻辑器件，密度 在3 00 0 0 到15 0 00 0 0 门，时钟速度高达8 2 2 m h z 。这种多核结构克服了 必须用多个器件来实现系统级设计的麻烦，同时也节省了p c b 板的空间。 由于a p e x 2 0 k 具有功耗低、体积小、集成度高、速度快、费用低、用户可 定义功能及可重复编程和擦写等许多优点，因此，可广泛应用于系统板级设 计领域。a p e x 2 0 k 主要特点【5 1 如下： ( 1 ) 是第一款带有多核架构的可编程逻辑器件。 ( 2 ) 内含嵌入式系统模块，并可实现多种存储器功能，其中包括先进先 出存储功能( f i f o ) 、双口r a m 、c a m ( 内容可寻址存储器) 。 ( 3 ) 密度高，门数多，逻辑元素高达5 18 4 0 ，r a m 高达4 4 23 6 8 位，基 于多核的乘积项高达34 5 6 ，因此可以满足系统级设计的高密度要求。 ( 4 ) 功耗低，采用1 8 v 一2 5 v 电压供电，并可与1 8 v 、2 5 v 、3 3 v 、5 0 v 供电的器件接口。 ( 5 ) 带有4 个锁相环电路，可提供时钟锁定、时钟管理和时钟移位功能， 因此可以降低时钟的延迟和抖动，并可以提供时钟的1 倍至6 0 倍的倍颜与 1 到2 5 6 的分频，可编程时钟相位和延迟相移。 ( 6 ) 具有强大的i o 功能，与p c is i g 局部总线标准外设兼客，支持低 压差分信号( l v d s ) 、l v t t l 、l v c m o s 、g t l + 、c t t 、a g p 、l v p e c l 、 s s t l 一3 和s s t l 一2 及高速终端逻辑( h s t lc l a s si ) 。 ( 7 ) 兼容6 4 b i t 、6 4 m h zp c i ，支持p c i x 。 ( 8 ) 支持高速外部存储器，包括d d rs d r a m 以及z b ts r a m 。 ( 9 ) 可在多重电压下工作，非常适合在混合电压系统中使用。 ( 1 0 ) 采用f i n e l i n eb g a 封装，减小了芯片的占用面积，同时具有更好 的温度特性。 ( 1 1 ) 嵌入了s i g n a l t a p 的逻辑分析仪，增强了芯片的功能验证性能。 ( 1 2 ) 支持a l t e r a 的q u a r t u s t mi i 开发系统的自动布线功能。 a l t e r a 公司的a p e x 2 0 k e 系列是a p e x 2 0 k e 系列芯片的扩展系列，增 加了不少新的功能，具体的性能指标参看a l t e r a 公司提供的这个系列数据手 册；同时综合可扩展性、价格、性能及采购等多方面因素的考虑，在本次设 计中采用这个系列的芯片来实现对p c i 接口和缓冲区的逻辑控制。 ( 2 ) p c i 接口的选择对于p c i 接口来说。p c i 总线规范十分复杂，其接 口实现比i s a 、e i s a 等要困难很多。常用的实现p c i 接口的有效方案主要 是使用可编程逻辑器件和使用专用的p c i 接口芯片两种【6 】。采用可编程逻辑 器件实现p c i 接e j 比较灵活，可以利用的器件也比较多，但由于p c i 总线 哈尔滨工业大学工学硕十学位论文 协议的复杂性，其接口的实现比i s a 等总线要困难得多，这种方法难度较 大，设计周期较长。而专用的p c i 接口芯片功能全而强大( 例如f i f o 速度快、 容量大，可支持d m a 方式等) ，它一i 仅对p c i 协议有良好的支持，而且提 供给设计者良好的接口，同时它也能实现p c i 规范所要求的所有硬件接口信 号和配置空间寄存器。减少开发时间和成本，并获得较好的数据传输性能， 对用户来说，可以不必精通p c i 规范的各种细节，甚至不需完全了解p c i 总线的时序，只要理解了桥电路的局部总线的性能，就可以顺利地进行p c i 产品的设计开发，不失为一种低成本、高效率的解决方案。目前，主流的 p c i 接口芯片主要为p l x 公司的p c i 9 0 x x 系列和a m c c 公司的s 5 9 x x 系歹0 ， 例如$ 5 9 2 0 、p c i 9 0 5 2 5 0 等。它们的优越性主要是实现了p c i 目标设备的 功能，并提供了与i s a 总线信号兼容或时序相似的本地总线信号，是从i s a 到p c i 总线平台平滑过渡的最佳选择；但它们都不支持p c i 2 2 协议，无论 是操作速度还是传输带宽在性能上己属落后，而且从适配卡的发展方向来 说，3 3 v 低电压的信号环境是更主流的选择；另外，从实际成本考虑，这 翠p c i 9 0 x x 系歹l 相对来说价格便宜，功能齐全，唯一的缺点在于本地端r a m 控制比较复杂；就具体的p c i 9 0 5 4 芯片来说，它可以作为主控设备发起d m a 传输，适合大量的商速数据流传输，丽且由于p c i 9 0 5 6 、p c i 9 6 5 6 与它的兼 容性较好，将来很容易将设计性能提升到6 4 位或6 4 m h z 操作口j 。 p c i 9 0 5 4 作为美国p l x 公司推出的一种3 2 位3 3 m h z 的p c i 总线主控i ，o 加速器，采用了先进的p l x 数据管道结构技术，可以将复杂的p c i 接口 应用设计变得非常简单。利用p c i 9 0 5 4 灵活的局部总线可以方便地连接多种 存储器、i o 终围设备和c p u ，其中包括与m o t o r o l a m p c 8 6 0 、i n t e l i 9 6 0 系 列、i b mp p c 4 0 1 等处理器之间的无缝连接。p c i 9 0 5 4 以其强大的功能和简 单的用户接口，为p c i 总线接口的开发提供了一种简单的方法，设计者只需 设计局部总线接口控制电路，即可实现与p c i 总线的高速数据传输。随着 p c i 总线的普及应用，基于p c 总线的发射及采集系统设计有十分广阔的前 景。p c i 9 0 5 4 的主要特性如下佯j ： ( 1 ) 该芯片符合p c i 局部总线规范2 2 版。 ( 2 ) 支持主( m a s t e r ) 从( s l a v e ) 两种访问方式。 ( 3 ) 支持p c i 双地址周期，地址空间高达4 g b 。 ( 4 ) 提供了2 个独立的可编程的d m a 控制器，且支持块和分散，集中的 d m a 方式。 ( 5 ) 支持复用非复用的3 2 位地址数据，本地总线可分为三种模式：m 堕兰篓二竺奎：三：要：兰些鲨銮 模式、c 模式和j 模式，可利用模式选择引脚加以选择。 ( 6 ) 本地总线时钟由外部提供，最高可以高达5 0 m h z ，而且该时钟可和 p c i 时钟异步。 ( 7 ) 支持本地总线( l o c a lb u s ) 直接接口m o t o r o l am p c 8 5 0 或m p c 8 6 0 系列、i n t e li 9 6 0 系列、i b mp p c 4 0 1 系列及其它类似总线协议设备。 ( 8 ) p c i 到l o c a lb u s 和l o c a lb u s 到p c i 数据传送速率高达1 3 2 m b s 。 ( 9 ) 内部有6 种可编程的f i f o ，支持零等待突发传送以及本地总线和p c i 总线之间的异步传输。 因此，在本次设计中就是采用了p l x 公司的专用p c i 接口芯片p c i 9 0 5 4 来实现p c i 接口逻辑。 ( 3 ) 缓冲区的选择通常如果传输的数据量不大的话，我们可以考虑通过 在f p g a 内设计个缓冲区即小容量的双口r a m 或f i f o 来实现数据的缓 存，但是考虑本次设计的播放卡需要播放上吉【咖】的数据流并且为了提高播 放速度，我们使用外接的双口r a m 芯片或f i f o 芯片来实现双机共享存储 器一j ，从而实现高速大容量数据传输问题。其中双臼r a m 芯片可以很容易 实现流水线工作，而且存储容量比较大，只是控制逻辑比较复杂而已。对于 遥感卫星信号处理这种数据量大，对实时性要求很高的场合非常适于使用双 口r a m 实现数据交换和传送1 1 0 1 。在本次设计中我们使用了一片容量为 1 2 8 k x 3 6 b i t 的双口r a m 芯片i d t 7 0 v 3 5 9 9 来实现通过p c i 接口的局部总线 和p c i 总线之间的数据交换通道。 因此，基于上面几个因素的考虑，本次设计所采用的具体方案就是采用 f p g a 芯片e p l k 2 0 k e 2 0 0 q c 、双口r a m 芯片和p c i 9 0 5 4 接口芯片来实现 整个设计。这样的话，我们就可以利用f p g a 芯片强大的逻辑单元对双口 r a m 和p c i 9 0 5 4 进行逻辑控制，同时使用双口r a m 作为高速数据交换通 道，采用p c i 9 0 5 4 方便的实现与p c i 总线的接口将计算机大容量数据送给 播放卡的缓冲区，最后经过在f p g a 中对数据进行成帧处理后通过输出接口 输出，以便为其它设备提供火容量数据源。 哈尔滨t 业人学工学顿十学位论文 2 3 整体方案概述 2 3 1 系统硬件部分构成 整个系统主要包括f p g a 控制芯片e p i k 2 0 k e 2 0 0 q c 、专用p c i 接口j 啬 片p c i 9 0 5 4 及其b o o te e p r o m 和双口r a m 芯片i d t 7 0 v 3 5 9 9 。 本次课题所设计的播放卡的任务是实现计算机和存储器芯片之间的高速接 口，将计算机硬盘存储的大容景卫星模拟数据( 例如巨幅遥感影像) 通过 p c i 总线传送到硬件板卡上的f p g a 处理芯片，在该芯片上完成数据的编码、 成帧等实时处理，最后按指定格式输出串行的基带数据码流，为厉端的调制 器提供实时的基带数据源。这里主要是使用p c i 9 0 5 4 实现p c i 接口逻辑， 而e e p r o m 芯片主要用于在系统上电的时候对p c i 9 0 5 4 进行初始化，以实 现p c ip 的即插即用功能。f p g a 用于实现双口r a m 和p c i 9 0 5 4 之间的总 线仲裁、传输逻辑控制和地址产生等功能。 图2 1 为整个系统硬件部分结构框图： 剀2 1 整个系统结构框图 f i g 2 1l a y o u to ft h ew h o l es y s t e m 2 3 ，2 系统软件部分构成 本次设计中，软件部分主要包括p c i 设备驱动程序、f p g a 中的v e r i l o g h d l 传输控制程序和w i n d o w s 下的应用程序。 ( 1 ) p cl 设备驱动程序设备驱动程序用于实现p c i 卡在w i n d o w s 下的驱 动，为应用程序提供访问和控制p c i 硬件设备的通道。由于w i n d o w s 系统 的保护机制，使得用户程序对于硬件设备的直接访问很难实现，这时就需要 通过设备驱动程序来对硬件设备进行操作 。为了在处理数据速度上做到 最好，我们使用w d m ( w i n d o w sd r i v e rm o d e l ) 模式来开发p c i 卡的驱动 程序，该驱动程序可以用于w i n d o w s 9 8 、2 0 0 0 、n t 和w i n d o w s x p 操作系 统。 ( 2 ) v o ri lo g h d l 传输控制程序主要用来实现p c i 9 0 5 4 和本地端存储器 i d t 7 0 v 3 5 9 9 之间的传输控制逻辑，包括本地端总线仲裁、本地端单周期读 写和d m a 方式的b u r s t 周期读写的逻辑控制，还要实现突发读写周期的地 址产生。 ( 3 ) w in d o w s 下的用户应用程序用户应用程序用于实现用户需要的各种 功能。在w d m 中对于p l x 的接口芯片可以根据用户需要灵活编写驱动程 序代码，通过底层驱动和上层应用程序的w i n 3 2 接口函数c r e a t e f i l e 打开句 柄，然后直接调用读、写的a p i 函数r e a d f i l e ，w r i t e f i l e ；驱动程序中建立 处理读写i r p 的例程，i o 管理器会将读、写命令转化成相应的i r p 请求 i r p m j j t e a d 和i r p m j w r i t e ，发到设备的驱动程序，根据调用不同的 i r p 请求来实现我们自己所需要的功能，然后将其转换为w i n d o w s 下的图形 界面，以方便控制和观测结果【】。 2 3 3 整个系统的工作过程 从整个系统设计中可以看出，整个系统中包括p c i 总线、p c i 9 0 5 4 的本 地端总线和f p g a 与双口r a m 之间的总线，其中p