基于Virtex-6 FPGA的双缓冲模式PCIe总线设计方案和

引言

近年来软件无线电(SDR)得到了飞速的发展，在很多领域已显示出其优越性。本文的项目背景是通过软件无线电方式实现数字音频广播(DAB)的基带信号处理，这要求软件无线电平台具有高速实时数字信号处理与传输能力。高速可编程逻辑器件(FPGA)和丰富的IP核提供了能高效实现软件无线电技术的理想平台。

1 PCIE总线方案论证

PCIE是第3代I/O总线互联技术，如今已成为个人电脑和工业设备中主要的标准互联总线。与传统的并行PCI总线相比，PCIE采用串行总线点对点连接，具有更高的传输速率和可扩展性。例如本文采用的8通道1代PCIE 2.0硬核的理论传输速率是4 GB/s[1],其总线位宽亦可根据需求选择×1、×2、×4和×8通道。与其他的串行接口(如RapidIO和Hypertransport)相比，PCIE具有更好的性能和更高的灵活性[2].

1.1 PCIE总线实现方式

目前，PCI Express总线的实现方式主要有两种：基于专用接口芯片ASIC和基于IP核的可编程逻辑器件FPGA方案。前者通常采用ASIC+FPGA/DSP的组合方式，专用PCIE接口芯片(如PEX8311)避免用户过多地接触PCIE协议，降低了开发难度;但其硬件电路设计复杂，功能固定，灵活性和可扩展性较差。后者使用IP核实现PCIE协议，用户可以开发其所需的功能和驱动，具有可编程性和可重配置能力;另外，单片FPGA降低了成本和电路复杂程度，更符合片上系统(SoC)的设计思想。本文采用Xilinx公司Virtex6 FPGA和PCIE集成块，实现双缓冲模式的高速PCIE接口设计。

1.2 双缓冲与单缓冲比较

以写操作(数据从FPGA到内存)为例，双缓冲PCIE系统框图如图1所示。为描述方便，将该FPGA片上系统命名为SRSE(Software Radio System with PCI Express)。

图1 双缓冲PCIE系统框图

PC端的驱动程序在系统内存上为SRSE分配了两个缓冲区(WR_BUF1/2)用于数据存储，这两个缓冲区的地址信息分别存储在FPGA端的DMA寄存器(DAM_Reg1/2)中。Root Complex连接CPU、内存和PCIE器件，它代表CPU产生传输请求[3];PCIE核是Xilinx公司提供的集成块程序，实现PCIE协议的处理;DMA(直接存储器访问)引擎用于实现DSP核和PCIE器件间的高速数据存储与交换;DSP(数字信号处理)核是用户设计的算法或应用程序。以图1为例，DSP核将产生的数据写入TX_FIFO,DMA引擎将数据以传输层数据包(TLP)的形式发送至PCIE核，其中数据包的头信息来自寄存器DMA_Reg1.当SRSE将数据写入缓冲区WR_BUF1时，驱动分配另外一块缓冲区WR_BUF2并将该缓冲区的地址信息写入寄存器DMA_Reg2中;当DMA引擎发出WR_BUF1的写操作消息中断(MSI)后，DMA控制器将数据包的头信息切换至DMA_Reg2,驱动将缓冲区切换至WR_BUF2,继续传输数据。

图2 PCIE总线中断延迟测量

与双缓冲相对应的是单缓冲模式。以写操作为例，驱动程序每次在内存上分配一个缓冲区WR_BUF,该缓冲区的地址信息存储在DMA寄存器DMA_Reg中。当写满缓冲区WR_BUF时，DMA引擎会产生MSI中断，并通过PCIE核通知驱动程序。驱动分配新的缓冲区，并将该缓冲区地址通过PCIE总线写入DMA寄存器DMA_Reg中。中断的传输和DMA寄存器的更新会产生一定延时，这需要较大的TX_FIFO来存取延时期间DSP核产生的数据。

为精确测量中断延时时间，搭建了基于DELL T3400型PC和ML605开发套件的平台，通过ChipScope观察的波形结果如图2所示。DMA中断发生在时刻0(mwr_done:0博1);然后PCIE核向驱动发出MSI中断，驱动程序查询中断寄存器发生在时刻2241(irq_wr_accessed:1博0);驱动程序分配新的内存缓冲区，然后更新DMA寄存器发生在时刻2802(wr_dma_buff0_rdy:0博1)。在这2802个时钟周期内，PCIE器件无法将数据写入内存。PCIE的时钟频率为250 MHz,所以中断延时T=2802×(1/250 MHz)=11.2 μs.假定DSP核产生数据的速率为200 MB/s,中断延时期间将产生11.2 μs×200 MB/s=2241 B大小的数据。考虑到其他不可预测因素，如中断堵塞等，为了不丢失数据，TX_FIFO至少需要几KB的空间。这对于FPGA内宝贵的硬件资源(如Block RAM)来说是严峻的挑战。

与单缓冲模式相比，双缓冲模式优点归纳如下：

①更新缓冲区不会引入中断延时，这意味着较小的FIFO即可满足需求，节约了硬件资源。

②双缓冲模式延长了驱动程序处理中断的时间，也使缓冲区数据的处理更加容易，丢包率大大减小。

③数据的传输和内存缓冲区的数据处理可以并行处理，系统的实时性得到保证。

④双缓冲更适合Scatter/Gather DMA,取代block DMA,从而提高内存效率。