（电路与系统专业论文）基于cpci光纤传输卡的设计与研究.pdf

图书分类号图书分类号 tn431.2 密级密级 非密非密 udc 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 基于基于 cpcicpci 光纤传输卡的设计与研究光纤传输卡的设计与研究 王丽莉王丽莉 指导指导教师教师(姓名、职称姓名、职称) 甄国涌（副教授）甄国涌（副教授） 申请学位级别申请学位级别 硕士学位硕士学位 专业名称专业名称 电路与系统电路与系统 论文提交日期论文提交日期 年年 月月 日日 论文答辩日期论文答辩日期 2012 年年 6 月月 1 日日 学位授予日期学位授予日期 年年 月月 日日 论文评阅人论文评阅人 崔永俊崔永俊 答辩委员会主席答辩委员会主席 刘文怡刘文怡 20122012 年年 6 6 月月 1 1 日日 原原 创创 性性 声声 明明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。承担。 论文作者签名：论文作者签名： 王丽莉王丽莉 日期：日期： 关于学位论文使用权的说明关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括： 学校有学校有权保管、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；学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密 后遵守此规定） 。后遵守此规定） 。 签签 名：名： 王丽莉王丽莉 日期日期： 导师签名：导师签名： 甄国涌甄国涌 日期：日期： 中北大学学位论文 基于基于 cpcicpci 光纤传输卡的设计与研究光纤传输卡的设计与研究 摘要摘要 随着数据采集系统的不断完善，不但要求大容量数据的实时传输与处理，确保系统 的实时性，而且也要保证传输的稳定性和可靠性。本课题选用坚固紧凑型的 cpci 作为 传输接口， 以抗干扰能力强的光纤作为传输介质， 有效地解决了数据采集系统的实时性、 稳定性和可靠性等技术问题，实用价值高。 本文对课题的任务进行了分析，设计了整体方案，并对课题中涉及到的可靠 vhdl 内部逻辑处理机制、pcb 信号的完整性分析和高效驱动模型构建方法进行了详细的阐 述，关键内容如下所示： 第一、可靠的 vhdl 内部逻辑处理机制。在硬件电路设计中包括 pci9054 总线端口 模块的设计、fpga 主控模块的设计、lvds 高速传输模块的设计及外部缓存模块的设 计，但重点是介绍 fpga 对各个模块的内部处理机制。在 fpga 内部设计本地总线目标 模式状态机和 dma 主模式状态机分别用来处理低速数据和高速数据。为了提高传输的 可靠性，逻辑内部采用自定义的传输协议，对不同的数据进行编码和解码。 第二、 pcb 信号的完整性分析。 在 pcb 设计中采用 allegro spb 软件对 pcb 信号进 行线长仿真、阻抗匹配仿真和串并走线仿真，通过这些仿真来改善信号的延时、反射和 串扰等问题，从而提高信号传输的完整性。 第三、高效的驱动模型构建。在软件设计中针对 wdm 的三种传输机制（过程控制 i/o、直接存储器存取、共享内存缓冲区）建立不同的驱动模型，并对模型进行相应的 系统资源利用率测试，找出其中效率最好的驱动模型，提高驱动的运行效率。 关键词：数据采集，传输协议，dma，完整性分析，wdm 驱动 中北大学学位论文 the design of optical transmission card based on cpci abstract with the improvement of data acquisition system, it requires real-time transfer and process of large capacity data to ensure system real-time, stability and reliability. this thesis selects firm and compact cpci as transfer interface and anti-interfered optical fiber as transfer medium to solve these two technical problems effectively by combining some key technical designs. the practical value is really very high. this thesis analyzes the task and develops design programme, including whole design and software and hardware design of board. then detailed software and hardware design process are introduced. boards design should focus on three key technical points which the hardware and software design will also concentrate on in the following: first, reliable vhdl inner logic mechanism. hardware electrical circuit design includes pci9054 bus port module, fpga master module design, lvds high-speed transfer module design and outer buffer module design. but it mainly emphasizes on fpgas inner process mechanism to every module. in fpga inner design, local bus target mode and dma master mode are for low-speed data and high-speed data. to improve transfer reliability, logic adapts customed transfer protocol to encode and decode different data innerly. second, pcb signal completeness analysis. pcb design adapts allegro spb for line length simulation, impedance matching simulation and parallel line simulation on pcb signal, through these simulations, signals latency, reflex and cross talk can be optimized so as to improve signal transfer completeness. third, highly effective drive model architecture. in software design, we establish different drive models for three transfer mechanism of wdm (protocol control i/o, dma(direct memory access), shared memory buffer area) and make corresponding system resources utilization rate tests for these models, then find the most effective drive model to improve operation efficiency. key words: data acquisition, transfer protocol ,dma, completeness analysis, wdm drive 中北大学学位论文 i 目 录 1 绪论绪论 1.1 课题的来源及性质课题的来源及性质 . 1 1.2 课题的研究背景和意义课题的研究背景和意义 . 1 1.3 国内外的发展现状国内外的发展现状 . 2 1.3.1 cpci 总线的发展现状总线的发展现状 . 2 1.3.2 光纤传输的发展现状光纤传输的发展现状 . 2 1.4 课题的关键技术课题的关键技术 . 3 1.5 论文的结构安排论文的结构安排 . 3 2 课题方案设计课题方案设计 2.1 系统总体架构系统总体架构 . 5 2.2 课题任务分析课题任务分析 . 5 2.3 课题总体方案设计课题总体方案设计 . 6 2.4 硬件方案设计硬件方案设计 . 8 2.4.1 硬件原理方案设计硬件原理方案设计 . 8 2.4.2 fpga 内部逻辑方案设计内部逻辑方案设计 . 9 2.5 软件方案设计软件方案设计 . 10 3 硬件电路的设计硬件电路的设计 3.1 cpci 总线控制模块的设计总线控制模块的设计 . 13 3.1.1 cpci 总线连接总线连接 . 13 3.1.2 pci9054 本地总线设计本地总线设计 . 13 3.1.3 pci9054 的寄存器的寄存器 . 14 3.1.4 pci9054 的的 eeprom 设计设计 . 16 3.2 fpga 主控模块设计主控模块设计 . 18 3.2.1 fpga 配置电路设计配置电路设计 . 18 3.2.2 本地总线从模式设计本地总线从模式设计 . 20 中北大学学位论文 ii 3.2.3 异步通信协议异步通信协议 . 22 3.2.4 dma 主模式的设计主模式的设计 . 25 3.3.5 lvds 控制模块设计控制模块设计 . 27 3.3 串行模块硬件设计串行模块硬件设计 . 28 3.3.1 高速串行模块硬件设计高速串行模块硬件设计 . 28 3.3.2 低速串行模块硬件设计低速串行模块硬件设计 . 30 3.4 sram 乒乓缓存的电路设计乒乓缓存的电路设计 . 31 4 pcb 设计和信号仿真设计和信号仿真 4.1 布局布线布局布线 . 32 4.1.1 器件布局器件布局 . 32 4.1.2 布线设计布线设计 . 32 4.2 信号仿真信号仿真 . 35 4.2.1 走线长度仿真走线长度仿真 . 36 4.2.2 阻抗匹配测试阻抗匹配测试 . 37 4.2.3 信号串扰测试信号串扰测试 . 39 5 系统软件设计系统软件设计 5.1 驱动程序设计驱动程序设计 . 41 5.1.1 驱动的传输机制驱动的传输机制 . 41 5.1.2 驱动具体功能实现驱动具体功能实现 . 42 5.1.3 中断处理中断处理 . 44 5.1.4 驱动的安装和调试驱动的安装和调试 . 46 5.2 dll 的封装及应用程序的的封装及应用程序的调用调用 . 47 5.2.1 dll 的开发的开发 . 47 5.2.2 应用程序的调用应用程序的调用 . 49 5.3 软件软件的性能测试及优化的性能测试及优化 . 51 5.3.1 性能测试性能测试 . 51 5.3.2 性能优化性能优化 . 53 中北大学学位论文 iii 6 总结与展望总结与展望 6.1 总结总结 . 55 6.2 展望展望 . 55 参考文献参考文献 攻读硕士学位期间发表的学术论文及所取得的攻读硕士学位期间发表的学术论文及所取得的研究成果研究成果 致谢致谢 中北大学学位论文 1 1 绪论 1.1 课题的来源及性质 本课题是基于高速俯冲记录器的传输卡设计与研究，目的是保证图像、视频等大容 量数据的远距离快速稳定性传输。pci 总线就是一种用于大容量数据快速传输的总线。 但是在恶劣环境中，尤其是在车载或机载设备上，pci 接口的读数装置往往由于 pci 接 口本身的问题使设备脱落、断裂，无法有效地传输数据。为了提高接口的可靠性，设计 采用 compact pci 接口进行数据传输。与此同时，选用抗干扰能力强的光纤作为传输介 质能够保证数据的远距离传输。 1.2 课题的研究背景和意义 在数据采集系统中，不但要求能对高速数据进行实时采集和处理，而且还要严格限 制系统的功耗和体积，确保系统的稳定性。与此同时，为了提高系统的通用性，基于标 准总线的通用设备设计已经成为数据采集系统量产化的一个必然趋势。紧凑外围部件互 连(cpci)总线作为一种新兴的工业总线，采用了 pci 总线的电气特性及 vme 总线的物 理特性，结合了二者的优点，正被不断地推广应用1。cpci 总线以其通用性、开放性及 易操作的特点，正成为数据采集系统的一个重要研究方向。 随着数据采集系统的不断发展，高速数据的采集、存储和传输也成为不可避免的问 题。 因此， 使用新的接口技术解决数据传输的瓶颈问题正日益突出。 低压差分信号(lvds) 技术以其固有的低电压、低功耗和有利于高速传输等特点，正逐渐成为宽带高速系统设 计的首选接口标准。目前，lvds 技术在通信领域的应用正日益普及，尤其在基站、大 型交换机以及其他高速数据传输系统中，lvds 正在发挥着不可替代的作用2。 利用光纤作为传输媒质与传统的电缆传输相比，光纤的传输容量大、中继距离长、 频带宽、损耗低；以石英为原料，线细、质量轻，节省了稀缺金属的使用，合理利用了 资源。而且光纤属于绝缘介质，抗干扰、抗辐射及抗腐蚀能力强，具有很好的可绕性， 泄密小、保密强，适合恶劣换的使用，尤其是在军事环境下3。 中北大学学位论文 2 1.3 国内外的发展现状 1.3.1 cpci 总线的发展现状 1994 年，美国的 picmg 成立，主要致力于将 pci 标准扩展到工业系统，管理和维 护相关的 pci 规范，促进建立相关的 pci 规范成为工业范围的标准。到 1999 年 10 月， picmg 出版的 compactpci 规范从 1.0、2.0、2.1 已经发展到了 3.0 版本。picmg 致力 于共同开发系统级和板卡级产品，用于工业、医疗、宇航和电信领域等的计算机系统4。 最初设计 compactpci 是想利用 pci 的优点，设计出满足工业环境所需的性能更高 的总线系统，同时也能兼容原先系统，便于 i/o 功能及其他功能的扩张。compactpci 在 pci 扩充的基础上为系统提供了一个坚实、稳定及高可靠性的总线结构，并且制定了 开放式的总线标准。与传统的 pci 总线相比，cpci 总线增加了热插拔功能，在不断电 的情况下即可插入或拔出板卡，不影响系统的正常工作，便于板卡的诊断和维护，提高 了系统的高可用性。 compactpci 产品在国内的相关领域的应用正不断扩大， 但国内对该产品的开发还处 在起步阶段，发展还不完善，市场上的 compactpci 产品大多是由国外公司生产制作的。 目前，国内只有少数几家公司在开发 compactpci 产品，技术还不成熟，投入市场的产 品种类那就更较少5，因此，compactpci 产品在国内有着很大的发展空间。 1.3.2 光纤传输的发展现状 1966 年英籍华裔学者高锟和霍克哈发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用 光纤(optical fiber)进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光纤通信的基础。 1970 年， 美国康宁公司首次研制成功损耗为 20 db/km 的光纤， 光纤通信时代由此开始。 1976 年， 美国在亚特兰大进行了世界上第一个实用光纤通信系统的现场实验， 系统采用 gaalas 激光器作为光源，多模光纤做传输介质，速率为 44.7mb/s，传输距离约 10km， 标志着光纤通信从基础发展到了商业应用的阶段。此后，光纤通信技术不断发展：光纤 从多模光纤发展到单模光纤，工作波长从 0.85um 发展到 1.31um 和 1.55um。67 目前，2.5g 和 10g 的光纤传输系统已经普遍应用。自 2007 年以来，已有来自北美、欧 洲和亚洲地区的多家主要运营商选择了具有 dp-qpsk 技术的北电 40g 传输产品 中北大学学位论文 3 ome6500，其中 verizon business 公开宣布选用北电的 40g 设备建设连接欧洲主要城市 的泛欧网络。100g 传输是下一代高速传送领域的核心技术，可实现单信道每秒 112g 比 特的传输，从而将目前主流传输速率提高了 10 倍。值得一提的是：华为公司积极参与 这几个标准组织的 100g 传输相关议题的讨论，全面阐述了华为关于 100g 传输的解决 方案。在涉及 100g 传输技术上，目前华为已有 25 篇文稿被广泛接受8。 1.4 课题的关键技术 在板卡研制过程中涉及到三种关键技术：可靠的 vhdl 内部逻辑处理机制、pcb 信 号的完整性分析技术及、高效的驱动模型构建。 （1）可靠的 vhdl 内部逻辑处理机制 在数据采集系统中涉及到多个通道不同类型的数据传输，如何有效的管理各种类型 数据传输，协调好不同通道的数据采集，同时保证整个链路传输的可靠性，就成了板卡 设计的一个技术难题。在 fpga 内部设计本地总线目标模式状态机和 dma 主模式状态 机分别用来处理低速数据和高速数据。为了提高传输的可靠性，逻辑内部采用自定义的 传输协议，对不同的数据进行编码和解码。 （2）pcb 信号的完整性分析技术 随着板卡的功能增加，分立元器件的增多，板卡的布线也变得越来越复杂，尤其是 在高速采集系统下，pcb 的布线对信号的完整性影响很大。因此，pcb 信号的完整性分 析也是至关重要的。设计中采用 allegro spb 软件对 pcb 信号进行前仿真和后仿真，提 高信号传输的完整性。 （3）高效的驱动模型构建 驱动程序运行在内核模式下，占用系统资源较大，如果资源分配不合理会影响到数 据的传输速度，所以在驱动程序中必须建立一个有效的驱动模型。设计时采用较为完善 的 wdm 框架搭建不同的驱动模型，并对它们进行性能测试，找出其中效率最好的驱动 模型。 1.5 论文的结构安排 本课题是基于 cpci 光纤传输卡的设计与研究，整个课题分为硬件设计和软件设计 中北大学学位论文 4 两个部分。硬件设计包括板卡原理图设计、板卡 pcb 版图设计、信号完整性分析、硬 件逻辑设计等； 软件设计主要包括 pci 驱动程序设计、 动态库链接及上层应用程序设计， 文章的具体内容安排如下。 第 1 章：论述课题的研究目的和意义，课题的来源与性质，cpci 总线的发展现状， 将 cpci 总线与 pci 总线的性能进行对比提出它的优势设计。 第 2 章：分析课题的任务，提出课题的总体设计方案，并分别概述课题的硬件设计 方案和软件设计方案。 第 3 章：阐述课题的硬件设计，对板卡的关键电路如 lvds 高速数据收发电路、 pci9054 配置电路、cpci 接口控制电路及 fpga 内部的逻辑电路做详细论述。 第 4 章：重点介绍电路板的 pcb 设计，对高速电路进行信号的完整性分析和仿真， 提高硬件电路设计的可靠性。 第 5 章：阐述课题的软件设计，详细介绍硬件的驱动程序设计，包括驱动框架的生 成及内部功能代码的实现；与此同时，软件部分也介绍了 dll 库的封装和应用程序的 调用。 最后一章是全文的总结和概括，指出设计中的缺陷和不足并对课题的进一步拓展进 行展望。 中北大学学位论文 5 2 课题方案设课题方案设计计 2.1 系统总体架构 pc接口背 板 计算机接口卡 电源变换 板 数据接收发送 模拟量信号源 指令模块 电光转换 模块 光电转换 模块 存储器采编模块 存储 模块 存储 模块 计算机测试台采编、记录器 图 2.1 系统框架图 如图 2.1 所示，整个数据采集系统由计算机、测试台和存储采编器三个部分构成。 存储采编器用于底端的数据采集和存储；测试台部分主要用于数据的传输、模拟信号源 的产生和指令的控制；而计算机模块则用于指令的下发和数据的接收。整个系统旨在设 计一套标准化的数据采集设备，每个部分都模块化标准化，相互之间通过特定的协议通 信。在系统中以光纤作为传输介质，增强数据在整个链路传输过程中的抗干扰性，增加 了数据传输的距离； 以 cpci 作为 pci 机的传输接口， 提高了数据传输的速度， 并且 cpci 接口具有良好的抗震性，适合恶劣环境下的数据采集。在系统传输过程中所使用的标准 化协议，可以提高数据链路传输的可靠性。 本课题只是整个数据采集系统中的一部分计算机接口卡。该部分是保证上位机 和底端设备通信的关键，所有的底端数据的接收和校验，命令的下发以及传输状态的监 控都由计算机接口卡来完成。因此，接口卡的有效设计在整个系统设计中占至关重要的 一部分，不容忽视。 2.2 课题任务分析 该接口卡是连接下端设备与 pc 机间的桥梁，主要任务要求如下： 中北大学学位论文 6 （1） 计算机接口卡与背板间的低速通道里的数据和命令传输均采用异步串行编 码，而高速通道的数据和命令则采用 lvds 传输技术； （2） 计算机的传输卡的端口要求如表 2.1 所示。 表 2.1 pc 卡接口标准 pc 卡卡：计算机：计算机 cpci 接口卡接口卡 接口类型 接口数量 参数或说明 cpci 接口 1，双向 与 pc 通讯。 低速光接口 1，双向 64mbps 能力，双工。 高速光接口 1，双向 500mbps 能力，双工。 （3） 低速通道传输时采用的基于字节的带校验的异步串行通讯，以包为单位进行 传输， 标准包格式如表 2.2 所示， 总共 42 位传输 32 有效位， 传输有效率 76。 表 2.2 数据包格式 序 号 帧/数据域 位长 说明 1 起始位 1 低电平 2 模式域 2 11 表明是命令； 10 表明是状态； 00 表明后续无连续数据； 01 表明后续还有数据； 3 数据域 32 发送的内容 4 模式域 2 同 2，重复用来保证该域正确（取反） 5 校验域 1 从 2 域到 4 域的奇校验 6 停止位 2 高电平 7 空闲位 2 高电平 （4） 上位机能够实时监控数据传输状态，对于传输码率不高的数据能够存盘的同 时并实时绘制曲线； （5） 具备自检能力，在无数据的情况下能够模拟信号源，对设备进行自检。 2.3 课题总体方案设计 该课题主要是对中频和高频信号采样，通过数字信号处理器(fpga)对光纤传入的数 据作解码，然后把解码后的数据通过 cpci 总线送 pc 机作进一步处理，提取所需要的 相关参数。与此同时，板卡将 pc 机下发的命令在 fpga 中进行编码，再通过光纤下发 至各个采集卡。整个传输过程如图 2.2 所示。 中北大学学位论文 7 应用程序 pci954 fpga 高速光纤接口 硬件驱动 cpci总线 sdram 光纤 低速光纤接口 光纤 sdram 串并转换模块 图 2.2 板卡设计总体框图 由上图可见设计有四个主要层次构成，分别为硬件传输层、总线控制层、硬件抽象 驱动层以及应用程序层。 1、硬件传输层 硬件传输层主要指硬件电路上数据的传输，包括高速通道、低速通道、外部缓存数 据传输及相应的 fpga 逻辑控制和通信协议的实现。 2、pci 总线控制层 在总线控制层采用良好支持 pci 总线协议的 pci9054 控制芯片，完成了 cpci 总线 与本地总线的转换。通过配置 pci9054 内部的功能寄存器就能简单的实现 pci 读写、中 断、字节使能等协议操作。 3、硬件抽象驱动层9 硬件抽象驱动层主要负责将硬件的各个物理通道虚拟化，实现硬件接口与软件接口 的有效转换。在 windows2000/xp 系统下使用 wdm 驱动框架，它能提供一个有好的接 口便于应用程序调用。在板卡设计中选择 pci 驱动框架，在框架中添加设备所需的驱动 中北大学学位论文 8 功能函数，如 i/o 读写、memory 读写、dma 读写及中断管理等。 4、应用程序层 应用软件必须严格按照设备功能设计，界面友好，便于用户操作。在课题设计过程 中，应用程序必须具备命令下发、状态监控、高速数据存盘、低速数据监控、设备自检、 数据分析、图形绘制等功能。 2.4 硬件方案设计 2.4.1 硬件原理方案设计 硬件设计原理是整个硬件电路设计的基础，其原理框图如图 2.3 所示，按功能划分， 硬件电路主要由异步串行通信模块、lvds 传输模块、fpga 主控模块、sram 缓存模 块、pci 总线端口控制模块等组成。 cpci 接 口 插 槽 设 计 pci 9054 接 口 芯 片 数据 缓冲 clk perr# serr# inta# gnt# req# par# rst# idsel stop# devsel# frame# trdy# irdy# 50m 晶振 串 行 eeprom fpga可 编程逻 辑阵列 地址数据复用总线 ad31:0 c/be3:0# eecs eesk eedi eedo lclk lint# bigend ready# blast# ads# lw/r# lbe3:0# la31:2 ld31:0 rx tx 低速 光 模块 串/并、 并/串转 换模块 控制信号 数据信号 高速 光 模块 rx+/- tx+/- 光纤发送 光纤接收 光纤发送 光纤接收 图 2.3 板卡硬件框图 异步串行通信模块： 用于低速通道的数据收发， 数据的传输速率一般不高于 64mbps， 有效的降低了误码率。 lvds 传输模块：主要负责高速通道的数据收发， 利用 lvds 交叉开关选通 16 位 或 8 位数据转换；如果是接收器则将串行数据转换为并行数据，如果是发送器则反之； 在 lvds 串行接口处使用均衡器可以有效的恢复长线传输过程中的衰减。10 sram 缓存模块：作为缓冲存储器，采用外部 fifo 与 fpga 结合的方式来完成计 算机对高速通道数据的实时读取，从而实现无丢帧传输。 中北大学学位论文 9 fpga主控模块：是整个硬件电路设计的核心，一方面控制本地总线，利用状态机 方式完成对各个模块的数据收发；另一方面在fpga内编写传输协议负责数据的编码和 解码，保证数据传输的可靠性 总线控制电路：负责 cpci 总线接口的连接，并由 pci9054 实现 pci 总线到本地总 线的桥转换11。 2.4.2 fpga 内部逻辑方案设计 fpga 内部逻辑功能框图如图 2.4 所示， fpga 内部逻辑主要分为： pci 从模式模块、 dma 传输模块、异步串行通信模块、lvds 控制模块、缓存模块。 pci 从 模 式 dma 模 式 fifo 异步串 行控制 模块 lvds 控制模 块 fifo sram 控制模 块 编码 模块 解码 模块 异步 串行 信号 lvds 信号 奇偶 校验 异步串行通信协议 缓存模块 图 2.4 fpga 内部逻辑框图 pci 总线从模式负责本地总线从设备的读写状态，该模式适合读写速度要求不高的 设备。 dma 主模式具有很大的灵活性，适合大容量的数据传输。启用该模式时 pci9054 必须设定为主设备，获得总线控制权；在 dma 状态机中采用不间断的突发读写时序， 大大提高了数据传输速度。 异步串行通信模块负责低速通道的数据传输，包括数据的编码、解码、奇偶校验及 中北大学学位论文 10 相应通信协议的控制等。虽然传输速度不高，但能有效地降低数据传输的误码率，提高 传输的可靠性。 缓存模块通过 dma 方式将 fifo 数据直接写入内存，而 fifo 缓冲模块主要使数据 传输同步，与外部 fifo 配合实现无丢包传输。 lvds 控制模块是将 fifo 中的高速通道数据通过控制 lvds 芯片信号将 fifo 中的 高速通道数据并行地写到 lvds 芯片里，继而转换为串行数据经光纤传递到底端设备。 lvds 数据接收模块的工作过程与发送模块性质相同，方向相反。 2.5 软件方案设计 系统软件设计是整个系统不可或缺的一部分，只有硬件和软件有效配合，设备才能 稳定工作。因此，在开发板卡软件之前，设计者必须了解设备的硬件功能，明确软件的 开发任务。在软件开发中首先要掌握驱动的开发原理，其次是研究应用程序和驱动程序 间的调用机制。按照功能划分，板卡的软件可以分为三个模块：驱动程序模块，动态链 接库模块和应用程序模块。如图 2.5 所示： 图 2.5 程序设计流程图 1、wdm 驱动程序设计 在 windows2000/xp 系统下使用 wdm 驱动框架，它能提供一个有好的接口便于应 用程序调用。在驱动开发中选用 driverstudio 和 ddk 作为开发工具，在 ddk 程序框架 下加入 driverstudio 的功能封装函数，大大简化了驱动程序的开发。在 cpci 板卡设计 应用程序 动态链接库 驱动程序 系统硬件 ring3 ring0 中北大学学位论文 11 中选择 pci 驱动框架，在框架中添加设备所需的驱动功能函数，如 i/o 读写、memory 读写、dma 读写及中断管理等；然后只需在框架程序里丰富功能函数就能完成整个驱 动的开发，开发速度快，效率高。 2、动态链接库设计开发方案 动态链接库采用 vc+编写， 用于封装驱动的端口函数。 本卡采用的是 win32 的 dll 链接库。 与 mfc 的动态链接库相比， 这种非 mfc 的动态链接库适合不同语言环境开发 的上位机程序调用。总的来讲，动态链接库起到了连接驱动程序与应用程序的作用。 3、应用层软件设计 驱动程序用来抽象化硬件端口，而应用程序则是通过调用驱动程序的端口函数达到 操作硬件设备的目的。应用程序设计时采用 vc+作为语言开发环境，采用 mfc 设计 可视化界面，用户界面友好。图 2.6 是系统应用程序、dll 库及驱动程序的调用关系示 意图。 应用界面人机交互 高 速 写 打 开 设 备 关 闭 设 备 低 速 写 低 速 读 事 件 提 示 高 速 读 应