（微电子学与固体电子学专业论文）应用于图像传输系统的pci接口卡设计.pdf

摘要 本论文在研究p c i 总线协议和集成电路设计技术的基础上，采用a l t e r a 公司 的f p g a 产品完成了p c i 接口电路的设计，并制作了用于图像抓取发送的硬件 板卡。通过硬件板卡的实现，使基于f p g a 设计的接口电路得到验证，并在实际 的大屏幕图像传输显示系统中得到了重要应用。 本论文所设计的p c i 总线接口电路包括与总线握手的外侧接口和与网络通 讯的内侧接口。外侧接口实现了用于控制作用的从设备和用于数据传输的主设 备：从设备实现了配置空间和i o 空间的单数据读写，主设备实现了存储器的突 发数据读写。内侧接i s l 实现了通过循环冗余码校验将打包数据发送到网络芯片的 工作。 在具体的实验验证上，采用将p c i 总线接口电路应用于大屏幕图像传输系 统，浚系统的硬件包括p c 机，p c i 显卡，p c i 总线接口卡板。r 1 4 5 端口网络双 绞线，信息还原卡，l e d 大屏幕。整个系统在应用中实现了1 0 2 4 7 6 8 点的屏幕 显示，刷新率为6 0 桢f s ，大屏幕与显示屏同步显示且清晰无干扰。 本论文采用f p g a 设计的p c i 总线接口卡具有通用型和灵活性，可以方便的 向a s i c 转换。通过网络传输将本p c i 接口板卡应用于大屏幕图文显示系统中， 解决了一般大屏幕显示系统在距离和速度上的难点问题。这些都使得本论文的研 究具有很高的理论价值和重要的应用意义。 关键词：f p g a 、图像传输、p c i 、接口 a b s t r a c t b a s eo ft h es t u d yo fp c ib u sp r o t o c o la n di n t e g r a t e dc i r c u i td e s i g nm e t h o d s ，t h e t h e s i sr e a l i z e sp c ii n t e r f a c ec i r c u i t 埘t ha l t e r af p g ad e v i c ea n dp r o d u c e sah a r d w a r e c a r du s e da si m a g ed a t ac a t c ha n ds e n d u n d e rt h ed e s i g no fp c ic a r d ，t h ei n t e r f a c e c i r c u i ti sv e r i f i e di nf p g ad e v i c ea n da p p t i e di nr e a ll e ds c r e e ni m a g et r a n s i m i s s o n s y s t e m t h ep c ii n t e r f a e ec i r c u i ti n c l u d e se x t e r i o ri n t e r f a c ec o m m u n i c a t e dw i t hp c ib u s a n di n t e r i o ri n t e r f a c ec o m m u n i c a t e dw i t hn e t w o r k t h ee x t e r i o ri n t e r f a c er e a l i z e s t a r g e tu s e d a sc o n t r o la n di n i t i a t o ru s e d 私d a t at r a n s f e r t h et a r g e tf i n i s h e dt h e f u n c t i o no fs i n g l ed a t ar e a da n dw r i t eo fc o n f i g u r a t i o na n di os p a c e t h ei n i t i a t o r f i n i s h e db u r s tr e a da n dw r i t eo fm e m o r ys p a c e t h ei n t e r i o rr e a l i z e dd a t at r a n s m i s s i o n t on e t w o r kc h i pt h r o u g hc r cv e r i f i c a t i o n i ns p e c i f i cv e r i f a c t i o n ，t h ep c ii n t e r f a c ec i r c u i ti sa p p l i e di nl e ds c r e e ni m a g e t r a n s m i s s i o ns y s t e m t h eh a r d w a mo ft h es y s t e mc o n s i s t so fp e r s o n a ic o m p u t e r ，p c i d i s p l a yc a r d ，r e t i c l ew i t hr j 4 5p o r t ，d a t ar e c o v e rc a r d a n dl e ds c r e e n t h ew h o l e s y s t e mc a nw o r kw e l lw i t h 10 2 4 7 6 8p i x e lr e g i o n ，6 0f r a m ee v e r ys e c o n d t h el e d s c r e e na n dt h em o n i t o rc a ns y n c h r o n i z ea n dt h ei m a g ei sc l e a r t h ep c ii n t e r f a c eb a s e do nf p g ah a sm a n ya d v a n t a g e s i ti sf l e x i b l ea n d u n i v e r s a l ，e a s yt oc o n v e r tf r o mf p g at oa s i c t h em e t h o ds o l v e st h ed i f f i c u l t i e s w h i c ht h eg e n e r a li m a g et r a n s f e rs y s t e mh a si nd i s t a n c ea n dv e l o c i t y t h e s ef e a t u r e s m a k et h es t u d yi np c ii n t e r f a c es i g n i f i c a t i v ea n dv a l u a b l e k e y w o r d ：f p g a 、i m a g et r a n s m i s s i o n 、p c i 、i n t e r f a c e - v i 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海人学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留论文及送交 论文复印利：，允许论文被壳阅和借阅；学校可以公布论文的全部缄部分内窬。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：静 海人学坝1 。学位论史 第一章引言 1 1p c i 总线特点和接口设计方法 1 1 1 p c i 总线的特点 p c i 总线即外围部件互连总线，是由i n t e l 公司1 9 9 1 年首先提出的。i n t e l 联 合世界多家公司成立了p c i s i g ( p c is p e c i a li n t e r e s tg r o u p ) 来完善、推广和强化 p c i 标准。p c i s i g 在1 9 9 5 年公布p c i 局部总线规范2 1 版后，目酊已不断更新到 2 3 版本。p c i 总线的典型系统结构如图1 1 】。 p c i 总线把高带宽的外围设备移到靠近系统处理器的地方，通过一个系统接 口( 主桥路) 与处理器或存储器连接起来。各种外设都可直接与p c i 总线相连， 幽i 1p c i 系统结构幽 然后通过p c i 主桥路芯片，所有p c i 外设元件均可与处理器相匹配，从而使p c i 总线与处理器保持相对独立。这样，当处理器更新时，只需更换相应的主桥路芯 片，系统的其它部分均可保持不变。因此，无论是外设的升级还是处理器的更新 都对p c i 总线体系结构的影响很小。另外，处理机c a c h e 存储器子系统经过一 个p c i 桥连接到p c i 总线上，这个桥提供了一个低延迟的访问通路，处理机可以 通过它直接访问到映射于存储器地址空间或l j o 地址空间任何地方的p c i 设备。 同时，它提供了允许p c i 主设备直接访问主存储器的高速通路。p c i 桥可以提供 数据缓冲能力，使处理机与p c i 总线上的设备可以并行工作而不必相互等待。3 2 位数据地址复用总线的使用使其最大数据传输率达到3 3 m h z 时1 3 2 m b s ， 海人学f l 学位论文 6 6 m h z 时2 6 4 m b s 。 p c i 总线除了具有上述的访问快速性和处理器独立性以外，还具有以下特 点： 支持多达2 5 6 个p c i 局部总线，每个p c i 局部总线支持8 0 个p c i 功能： 支持线性突发传送，可以更有效的利用总线带宽传输数据； 采用总线主控和同步操作，以加速执行高吞吐量、高优先级的任务： 采用隐式总线仲裁； 低功耗设计，采用反射波信号驱动； 兼容现有的i s a 、e i s a 、m c a 总线，方便用户选用新的外围设备。 1 1 2 p c i 接口的设计方法比较 随着p c i 总线的广泛应用，其接口的开发设计显得尤为重要。从现有技术来 看p c i 接口的设计方法有两种：一种采用专用p c i 接口芯片设计接口；另一种采 用支持p c i 总线电气规范的可编程逻辑器件。 采用专用芯片 目f ； 常用的具有代表性的p c i 专用芯片有a m c c 公司的$ 5 9 3 3 ，$ 5 9 2 0 和 p l x 公司的p c i 9 0 5 4 。这些专用芯片可以实现完整的p c i 主控模块和目标模块接 口功能，将复杂的p c i 总线接口转换为相对简单的用户接口。厂商对p c i 总线接 口进行了严格的测试，用户只要设计转换后的总线接口即可。这样，用户可以集中 精力于应用设计，而不是调试p c i 总线接口，明显地缩短了丌发时问。 2 6 1 它的缺点是用户可能只用到了部分的p c i 接口功能，这样造成了一定的逻辑 资源浪费，缺少灵活性，同时灵活性的缺失很可能增加板上的组件，导致了产品成 本的增加和可靠性的降低。 基于在线可编程门阵列m 件( r e g a ) 的设计 它的主要优点在于灵活的可编程性。 首先p c i 接口可以依据插卡功能进行最优化，而不必实现所有的p c i 功能，这 样可以节约系统的逻辑资源，降低电路的复杂程度。其次可以将p c i 插每上的其 他用户逻辑与p c i 接口逻辑集成在一个芯片上，实现紧凑的系统设计，节约板卡面 海人学坝i ：学位论文 积。再者当系统升级时，只需对可编程器件重新进行逻辑设计，而无需更新p c b 版 图使接口板具有通用性。 采用f p g a 实现p c i 接口功能模块，明确了必要的状念机控制和总线交易信 号，通过适当调整，便可以大幅度提高调试速度，缩短丌发周期，提高电路板的集 成度和系统的性能。用最少的时间和精力来满足最终的项目应用需求，为接口丌 发提供了一种高集成的方法。 1 2 课题来源 当今时代，信息的传递无所不在。比如在各种大规模的运动比赛中，运动员 和观众都要获知最新的进展数据和比赛结果，在大型会议、晚会和讲座上，节目 安排、与会同程等信息也要及时传递给与会观众等，使得越来越多的场合都要应 用到大屏幕的显示柬进行图文信息的传递。大屏幕以其灵活多变的显示方式，五 彩续纷的色彩，多样美观的字体，生动活泼的图形、图像以及信息容量大，适用 方便快捷等特点得到了广泛应用。 但是数掘信息是如何通过统计计算及时地传送并显示到大屏幕上的呢? 本 课题的研究内容出此而生。 上海大学微电子中心承接了设计服务项目“l e d 大屏幕图文传输显示系统”， 通过课题组数月努力。本系统在全国第七届大学生运动会的游泳项目中得到了成 功的应用。 1 3 传输方案选择 在现有实验室条件下要实现图文信息向大屏幕传输的一般方式是，在主机一 侧将显卡信息采集为包，通过传输线将数据发送到大屏一侧经过信息还原后发送 给大屏幕。系统设计中需要满足的两个重要指标是：快速的数据传输通道和较长 的传输距离。 在传输线路的选择上有以下几种方案：传统并，串口通讯，u s b 通讯和网 络通讯。在网络通讯中包括通过网卡的传输和使用自行设计的p c i 接口卡传输两 渤几学坝i 。学位论史 积。再者当系统升级时，只需对可编程器件重新进行逻辑设计，而无需更新p c b 版 图使接口板具有通用性。 采用f p g a 实现p c i 接口功能模块，明确了必要的状态机控制和总线交易信 号，通过适_ 当调整，便可以大幅度提高调试速度，缩短开发周期，提高电路板的集 成度和系统的性能。用最少的时间和精力束满足最终的项目应用需求，为接口开 发提供了种高集成的方法。 1 2 课题来源 当今时代，信息的传递无所不在。t t 如在各种大规模的运动比赛中，运动员 和观众都要获知最新的进展数掘和比赛结采，在大型会议、晚会和讲座上，节目 安排、与会同程等信息也要及时传递给与会观众等，使得越来越多的场合都要应 用到大屏幕的显示来进行图文信息的传递。大屏幕以其灵活多变的显示方式，五 彩缤纷的色彩，多样美观的字体，生动活泼的图形、图像以及信息容量大，适用 方便快捷等特点得到了广泛应用。 但是数掘信息是如何通过统计计算及时地传送并硅示到大屏幕上的呢? 本 课题的研究内容由此而生。 e 海大学微电子中心承接了设计服务项目“l e d 大屏幕图文传输显示系统”， 通过课题组数月努力，本系统在全国第七届大学生运动会的游泳项目中得到了成 功的应用。 1 3 传输方案选择 在现有实验室条件下要实现图文信息向大屏幕传输的一般方式是，在主机 侧将显卡信息采集为包，通过传输线将数据发送到大屏一侧经过信息还原后发送 给大屏幕。系统设计中需要满足的两个重要指标是：快速的数据传输通道和较长 的传输距离。 在传输线路的选择上有以下几种方案：传统并，串口通讯，u s b 通讯和网 络通讯。在网络通讯中包括通过网卡的传输和使用自行设计的p c i 接口卡传输两 络通讯。在网络通讯中包括通过网卡的传输和使用自行设计的p c i 接u 卡传输两 海人学坝i ：学位论文 积。再者当系统升级时，只需对可编程器件重新进行逻辑设计，而无需更新p c b 版 图使接口板具有通用性。 采用f p g a 实现p c i 接口功能模块，明确了必要的状念机控制和总线交易信 号，通过适当调整，便可以大幅度提高调试速度，缩短丌发周期，提高电路板的集 成度和系统的性能。用最少的时间和精力来满足最终的项目应用需求，为接口丌 发提供了一种高集成的方法。 1 2 课题来源 当今时代，信息的传递无所不在。比如在各种大规模的运动比赛中，运动员 和观众都要获知最新的进展数据和比赛结果，在大型会议、晚会和讲座上，节目 安排、与会同程等信息也要及时传递给与会观众等，使得越来越多的场合都要应 用到大屏幕的显示柬进行图文信息的传递。大屏幕以其灵活多变的显示方式，五 彩续纷的色彩，多样美观的字体，生动活泼的图形、图像以及信息容量大，适用 方便快捷等特点得到了广泛应用。 但是数掘信息是如何通过统计计算及时地传送并显示到大屏幕上的呢? 本 课题的研究内容出此而生。 上海大学微电子中心承接了设计服务项目“l e d 大屏幕图文传输显示系统”， 通过课题组数月努力。本系统在全国第七届大学生运动会的游泳项目中得到了成 功的应用。 1 3 传输方案选择 在现有实验室条件下要实现图文信息向大屏幕传输的一般方式是，在主机一 侧将显卡信息采集为包，通过传输线将数据发送到大屏一侧经过信息还原后发送 给大屏幕。系统设计中需要满足的两个重要指标是：快速的数据传输通道和较长 的传输距离。 在传输线路的选择上有以下几种方案：传统并，串口通讯，u s b 通讯和网 络通讯。在网络通讯中包括通过网卡的传输和使用自行设计的p c i 接口卡传输两 海人学倾l 学位论文 种方案。本文通过几种方法的比较分析选择了满足需求的设计方案： 【1 】传统并、串行端口通讯 并、串行端口是计算机的标准配置，可以用来实现数据的并行、串行传输。 并行传输指可以同时传输一组比特，每个比特使用单独的一条线路。串行传输指 外设和计算机间使用一根数据线( 另外需要地线，可能还需要控制线) 。数据在 一根数据信号线上一位一位地进行传输，每一位数据都占用一个固定的时间长 度。 并行端1 5 和串行端口都可以实现数据通讯功能。但是并行传输一次只能发送 8 位数据，而串1 ：3 传送时数据的接收和发送都是一位一位进行的。在数据传输的 速度上，根本不能满足图像传输的要求。 【2 】u s b 通讯 u s b 接口目前得到了迅速的普及快速，它具有许多的优越性。支持即插即 用和热插拔功能。同时快速性是其突出特点之一。u s b i 1 的最高传输率可达 1 2 m b s ，比串口快了整整1 0 0 倍，比并口也快了十多倍。而u s b 2 ，0 的传输速度 更高达4 8 0 m b p s ，完全能满足需要大量数据交换的外设的要求。虽然目前的u s b 接口传输能达到很高的数据传送率，但是其有效传输距离在1 0 米以内，无法达 到远距离的传输要求。所以本课题使用u s b 的传输方法也不可取。 【3 】网络通讯 网络通讯是指通过将数据越装成以太网标准的帧格式使用网络双绞线进行 发送，双绞线是用两根绝缘铜线扭在一起的通讯媒体，它的抗干扰作用较强，在 一百米内不用对信号进行放大地传输信号，所以在本课题中符合传输要求。 通过网卡的软件通讯： 这种方式的通讯是指由c p u 读取显卡信息，并将其发送到网卡上，通过网 络传输到大屏幕。这种方法以现有的网卡为基础，只需要编写相关的软件b 1 7 - f 实 现。虽然设计简单，但也存在不足。传输需要c p u 的大力干预，需要占用相当 多的内存资源，p c 机在信息处理的速度和数掘传送的速度上不能两全。传输的 数据必须封装成特定的i e e e 8 0 2 3 以太网帧格式，并按照网络协议的规定将帧一 层一层传送出去。这样，数据通讯中实际的数据传输率就达不到1 0 m b s 或者 湘人学坝l 。学位论史 1 0 0 m b s 。 通过自制p c i 接口卡的网络通讯： 自制p c i 接口卡的传输也是网络传输的一种。通过自行设计可以使接口卡自 动发起数据传输的操作进程，而不会与c p u 的资源冲突。目前的p c i 总线具有 相当多的优越性：使用了数据地址复用的总线结构，3 2 位的数据带宽，3 3 m 的 传送频率，传输速度在峰值时可达到1 3 2 m b s ，可以满足本课题在应用中的速 度需求。通过p c i 总线将数据从显卡显存中读取后，使用一。款物理层芯片将数掘 传到网络双绞线，所以也能充分满足长距离的传输要求。设计中没有使用专用的 接口芯片，而是根据专业要求自行设计了通用性极强的p c i 接e l 内核。经过儿种 方案的比较，并充分考虑微电子学的专业特点决定采用自制p c i 接口卡进行图像 传输的方法，这也是本课题在现有实验室条件下最佳的选择方案。 1 4 系统实现方案 大屏幕平板显示系统是典型的数字系统，要求动态、实时、清晰稳定地显示 图像信息。与通讯系统相比。这种系统更关心实时地把数据难确地传输到到大屏 幕，将错误的信号忽略掉，所以不要求强大的纠错检错能力和错码重发功能。通 常为降低成本、减小时间延迟不直采用压缩解压缩的方法进行传输。 本课题所设计的系统包括p c 机、p c i 显卡、自制p c i 接口板卡，网络双绞 线，信息还原卡和大屏幕。通过在p c 机上编写软件对比赛数据进行处理排序， 将结果显示在p c 机显示屏上，通过自制的包含接口芯片在内的p c i 板卡对显卡 显存罩的数据通过p c i 总线读取到板卡的存储器，并打包通过网络芯片发送到网 线上，另一端由还原卡进行接收，经过信息还原成为大屏幕自2 接收显示的数据信 息传送到大屏幕上，由此得以显示。 课题的主要工作放在三个方面：信息传输卡( 即p c i 接口板卡) 、信息接收 卡、大屏幕驱动和接口。本人研究设计的信息传输卡主要实现数据的抓取和发送， 课题组其它成员设计的信息接收卡主要实现数据的接收工作，其中包括通过网络 的接收、存储控制和对大屏幕的分形扫描。大屏幕实现的是并行接口传输方式。 海人学颂i 学位论文 1 5 本人所做工作 在研究p c i 总线协议和集成电路设计技术的基础上，本人采用a l t e r a 公司的 f p g a 产品完成了p c i 接口电路的设计，并制作了用于图像抓取发送的硬件板 卡。通过硬件板卡的实现，使基于f p g a 设计的接口电路得到验证，并在大屏幕 图像传输显示系统中得到成功使用。 p c i 接口板卡的设计包括绘制多层p c b 印刷版图，用分立元器件搭建系统， 在f p g a 芯片中按照p c i 总线的传输协议和图像传输的应用需求设计接口电路。 在接口电路中包括与总线握手的外侧接1 3 和与网络通讯的内侧接口。外侧接口实 现了用于控制作用的从设备和用于数据传输的主设备：从设备实现了配置空间和 i 0 空间的单数据读写，主设备实现了存储器的突发数据读写。内侧接1 3 实现了 通过循环冗余码校验将打包数据发送到网络芯片的工作。 另外对课题的需求分析表明选择自行设计的p c i 接口、f p g a 器件方法、由 网络长距离传输方法来实现用户需求是较好的方案，因此本论文的前期工作还包 括对p c i 协议规范和已有的p c i 接口逻辑的理解和消化对f p g a 器件的结构 和使用f p g a 进行设计的方法作了研究，对使用网络传输的以太网协议深入理 解。在以上基础上，对自行设计的p c i 接v i 逻辑不断改进最终达到了设计需求。 1 6 论文涉及的关键技术 在图像传输系统的p c i 接口卡设计中使用了四种关键技术，即：p c i 局部总 线技术、自上而下的e d a 技术、f p g a 技术以及v e r i l o g 语言编程技术。具体原 因如下： 【1 】采用高速率、高可靠性、即插即用的p c i 局部总线技术 随着计算机技术的发展，微机中低性能的 s a 总线标准即将被淘汰，原有的 i s a 板卡将无法在今后的新型微机中使用。与此同时，用户对高速高性能板卡的 需求将会越来越高，而技术成熟的p c i 局部总线具有高速率、自动配置、共享中 断、独立于处理器、低功耗、扩展性好、高可靠性等忧点，因此，就当阿而言， 只有丌发符合p c i 标准的板卡，才能适应未来的发展需要。 海人学坝i 岸位论义 【2 】采用自上而下( t o p - - d o w n ) 的e d a 设计方法 传统的硬件系统采用的是自下而上( b o t t o m - - t o p ) 的设计方法，这种方法 的仿真与调试都在设计后期进行，因而对设计人员有较高的要求，一旦考虑不周， 就会引起设计回溯，使得设计周期大大增加。另外，这种方法的主要设计文件是 电路图，因此不利于归档、保存和维护，同时阅读、修改和使用也非常不便。而 自上而下( t o p - - d o w n ) 的设计方法从系统的整体出发，自上而下逐步将问题细 化，使得在设计初期就能及早发现问题，这样大大降低了设计费用，明显缩短了 设计周期。同时，t o p - - d o w n 的设计方法可使设计者在设计初期将精力集中于 电路的功能上，而不去关心电路实现的具体细节。 【3 】采用f p g a 技术 f p g a 是在p a l 、g a l 基础上发展起来的一种技术。但和p a l 、g a l 相比， f p g a 规模较大，集成度高。并且和p r o m 配合使用时用户可以反复编程、擦 除，或在外围电路不变的情况下使用不同的e p r o m 即可实现不同的功能，这给 丌发者带来很大方便。同时，采用f p g a 器件花费低，电路性能可靠，设计周期 短，易于开发。 4 1 采用v e r i l o g 语言进行编程 v e r i l o g 硬件描述语言于1 9 9 5 年成为 e e e 标准，目的 封 有广泛的设计群体 和丰富的设计资源。它的特点在于能形式化地抽象表示电路的结构和行为：支持 逻辑设计中层次与领域的描述；具有电路仿真和验证机制以保证设计的正确性； 支持电路描述由高层到低层的综合转换：硬件描述与实现工艺无关；易于理解和 设计重用。所以在集成电路设计中是一种方便有效的设计方法。 1 7 本文设计特色 在实现方案的选择上，系统中p c i 板卡作为主设备可以与显卡内存直接交换 数据，而不必经过c p u 中转，提高了数据传送率。数掘传输工作独立于处理器， 在快速的图像数据传输基础上，p c 机可以自由进行信息收集和处理等幕后工作； 这里的网络传输部分将信息打包，它与软件实现的打包过程相比只实现了物理层 传输协议，降低了设计复杂性；独立设计的接口芯片采用f p g a 进行验证，不仅 海人学坝i 学位论立 节约了丌发时间，缩短了开发周期，而且可以提高电路性能，简化电路测试程序， 也大大节约了成本。 在通用性方面，自行设计的接口芯片实现了p c i 接口逻辑和用户逻辑的统 一，p c i 逻辑作为一个功能块嵌入芯片中，通过芯片管脚的i o 电路与p c i 总线 连接。此接口芯片在开发过程中考虑到了其使用领域和应用前景，芯片本身能够 支持p c 机的扩展环境和相关板卡设计，具有很强的通用性。 在具体的p c i 接口设计上有以下三大特色： 【1 】在p c i 接口中加入重试机制，在无需用户干扰的情况下让主机自动重 试传输数据直到数据传输成功，这种在硬件级实现“重试”的方法不仅满足了高速 传输率的要求，也极大程度上简化了上层驱动程序的编写工作。 1 2 1 缓存器分组：在数据的缓存方面，通过将缓存器分为两个组，每个组 分别同时进行读，写的操作，将数据传输率大大提高。 【3 】状态机设计：为协调外部模块的时钟，同时又保持模块内数据的的高 效处理，所以在模块内引入了多个不同的时钟，所以状态机的使用是设计的一个 重点和特色，用来进行时序的协调和不| 可状念的控制作用。在主模块中分为内外 两个状念机结合设计，减少了设计的复杂性，保证了设计脉络的清晰和状态信号 的处理。 1 8 论文研究的意义 本文以p c i 2 2 总线协议为切入点，探讨切实可行的基于f p g a 的接口电路 设计方法，并针对实际设计中的问题提出相应的解决方案，成功进行了接口电路 的设计和信息发送卡的硬件搭建，实现了本课题期望的图像传输目标。并应用到 实际的比赛项目中，取得了良好的效果。 设计实现的p c i 总线接口控制部分集成在f p g a 苍片罩。而不是采用片外扩 展的方式。这种方法具有较高的性能价格比，但要求设计者对p c i 总线协议有较 深的理解。用现场可编程逻辑器件f p g a 柬实现p c 接口电路，f p g a 既可以单 独作为最终的可编程a s i c 产品使用，也可以作为半定制a s i c 的前端验证方法， 方便地向a s i c 转换。因此，尽管采用可编程逻辑器件的设计在技术上具有挑战 海人学坝f 学位论义 性，但它具有很重要的实际意义和应用价值。 通过自行设计p c i 接口电路，使得我们逐步掌握p c i 接口电路系统的核心技 术，对于未来设计具有自主知识产权的p c i 专用芯片奠定了良好的基础，将逐步 改善国内在p c i 专用集成电路上长期依靠国外进口芯片的现状，对我国的集成电 路的设计、生产等工作都将起到积极的促进作用。 1 9 论文结构安排 论文各章节韵结构安排如下： 第一章引言。介绍了本论文的课题来源，方案选择，所作工作，关键技 术，设计特色和研究意义； 第二章f p g a 设计和p c i 分析。详细介绍了设计中的两个关键技术：对 f p g a 器件内部结构作了描述，并介绍了用f p g a 进行设计的具体方法；对p c i 局部总线协议做了系统分析，奠定了设计工作的基础。 第三章硬件系统架构。本章详细介绍了接口板卡的组成和功能，分析了 它的器件选型和内部结构，搭建了用于图像传送的系统电路。 第四章基于f p g a 的p c i 接口设计。对接口芯片的功能进行定位并划分 设计模块，定义各模块的功能和1 1 0 引脚，并对具体电路进行设计。 第五章系统的测试与驱动的研究。介绍了模块的时序功能仿真工作，并 在板卡系统上，对接口进行数据通讯的实际功能验证。通过驱动程序的生成，使 板卡成为即插即用的图像传输卡。 第六章总结与展望。对本课题进行总结，列出了所作工作和耿得的成果。 并对存在的不足和需要改进的地方进行归纳，指出下一步的工作计划。 第二章f p g a 设计与p c i 分析 本章首先介绍了f p g a 的设计方法，具体阐述了f p g a 的内部结构、工作原 理和具体设计流程。接下来分析了p c i 的协议规范：总线信号定义、地址空间、 命令描述、时序操作等等。 2 1f p g a 简介及设计方法 现场可编程门阵列( f p g a ：f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ) 是实现e d a 的 基础，是e d a 思想的最终表达手段，它是近年来发展迅速的大规模可编程专用 集成电路。同以往的p a l 、g a l 相比，f p g a 的规模较大，适合于时序、组合 等逻辑电路的设计，它们可以替代几十片甚至上百片通用r c 芯片 3 8 j 。 2 1 。1 f p g a 中逻辑实现贩理 f p g a 产品一般分为两种类型，一种是基于乘积项( p r o d u c t t e r m ) 技术，用 e e p r o m ( 电可擦除可编程只读存储器) 或f l a s h ( 闪存) 制造，多用于5 0 0 0 门以 下的小规模设计。另一类基于查找表( 1 0 0 k u pt a b l e ) 技术，用s r a m ( 静念存取 存储器) 工艺制造，密度高，触发器多，多用于1 0 0 0 0 门以上的大规模设计。 本论文使用的是第二类技术的f p g a 产品，下面以基于查找表技术的f p g a 为例，说明逻辑实现的原理。图2 i 给出了查找表的一种基本单元结构，该结构 实现了特定的的组合逻辑功能。 ， a 日 c d c l k 3 _ 诺 卜 匕一： 譬二= | 卜一o ”“t 挚坚亡3 亭鬻书论j 叫伟卜 仁兰卜 警l 二一jl 竖! l 幽2 1 壳找表的基本结构 a 、b 、c 、d 由f p g a 芯片的管脚输入后进入可编程连线，然后作为地址线 连到l u t ，l u t 中已经事先写入了所有可能的逻辑结果，通过地址查找到相应 的数据，然后输出。这样组合逻辑就实现了。该电路中d 触发器是直接利用l u t 后面d 触发器来实现的。时钟信号c l k 由i 0 脚输入后进入芯片内部的时钟专 用通道，直接连接到触发器的时钟端。触发器的输出与i 0 脚相连，把结果输出 到芯片管脚。这样f p g a 就完成了所需的功能。( 以上这些步骤由软件自动完成 的。) 对于一个l u t 无法完成的电路，就需要进位逻辑将多个单元相连，这样 f p g a 就可以实现复杂的逻辑。 所以说，f p g a 的设计较容易，设计者不需要深入了解集成电路的基本结构， 只需要熟悉硬件设计语言，掌握软件工具的使用就可以上手了。x i l i n x 和a l t e r a 是两家著名的f p g a 厂商，x i l i n x 公司的开发工具称为i s e ( 原来的f o u n d a t i o n 的升缀版，现在已经有5 ，l 的版本) ，a r e r a 公司的最新开发工具是q u a r t u s ( 取 代原来的m a x p l u s 2 ) 。下- d , 节详细介绍本课题所使用的a l t e r a 的f p g a 产品。 2 1 2a l t e r a 的f p g a 本课题中使用a l t e r a 公司的a c e x l k 系列e p l k 5 0 q c 2 0 8 3 器件进行设计， 它属于第二类产品。基本结构由三个部分构成： 逻辑阵列块( l a b ) ：构成了p l d 器件的逻辑组成核心： 输入f 输出部分( i o 玲； 连接逻辑块的互连资源( 由连线组成，也包括可编程的连接丌关，用于逻辑 块之间、逻辑块与输入、输出块之间的连接) 。 a l t e r a 的a c e x 芯片的结构如图2 2 所示。在a c e x 中，一个l a b 包括8 个逻辑单元( l e ) ，每个l e 包括一个l u t 、一个触发器和相关的逻辑。l e 是 a c e x 芯片实现逻辑的最基本结构。 海人学删l 。学位论义 幽2 2a l t e r a a c e x 芯片的内部结构 本课题使用m a x p l u s l i 软件来进行初期的v e r i l o g 代码和a h d l 代码编写( 关 于本软件的具体使用下一章详细介绍) ，经过仿真和布局布线后下载。调试期间 用下载电缆配置f p g a 器件，测试完成后将数据固化在一个专用的e e p r o m 中 ( 用通用编程器烧写) ，上电时，由这片配置e e p r o m 先对f p g a 加载数据，十 几个毫秒以后，f p g a 即可诈常工作。 2 1 3f p g a 优点、设计流程 f p g a 采用c m o ss r a m 工艺，单元电路逻辑需要上电配置，掉电后数据 消失，芯片功能随之丢失。器件内部的逻辑功能由用户设计和构造，硬件功能可 多次编程重构。可编程逻辑器件的出现。使得系统设计人员有可能在不改变系统 硬件结构的前提下，修改完善甚至重新设计系统的硬件功能，使电子系统的硬件 具有了“揉性”，极大的改变了硬件的刚性结构状态，甚至可以使电子系统的硬件 功能动念调整，以适应外界环境的变化。采用f p g a 设计电路具有以下优点； 【l 】集成度高，容量大：随着超大规模集成电路工艺的不断提高，单一芯 海人学坝l j 学位论文 片内部可以容纳上百万个晶体管，f p g a 芯片的规模也越来越大。 【2 】价格低廉：设计人员只要在实验室罩就可以通过相关的软硬件来完成 芯片最终的功能指定，现场可编程技术使可编程器件在使用上更为方便，因此研 发费用相对较低。 【3 】可重复编程：f p g a 与p r o m 配合使用时，用户可以反复编程，擦除 或在外围电路不动的情况下用不同的p r o m 就可以实现不同的功能。 4 1 设计周期短：f p g a 软件包中不但有各种输入工具和仿真工具，而且 还有版图设计工具和编辑器等全线产品，电路设计人员在很短时间内可以完成电 路的的输入，编译，优化和仿真，直至最后芯片的制作。 【5 】易于丌发：电路设计人员在使用f p g a 进行电子设计时，不需要具备 专门的i c 深层次知识，e d a 工具大多简单易用，可以使设计人员集中精力进行 电路设计。 基于上述原因，我们在p c i 接口设计过程中采用f p g a 技术。 本课题采用f p g a 进行设计的流程如图2 3 所示： y 岭 。 嗲爨二；、 图2 3f p g a 设计流群 海人学坝1 学位论史 由于在f p g a 的设计中。既要考虑逻辑的f 确性，也要考虑电路的可综合性， 还要考虑在具体硬件上的可实现性，并且在功耗、面积和速度等许多方面的要求 下进行折中，所以可以看到在设计流程中，许多步骤都需要经过反复的叠代，不 断修改以满足最优化的设计需要。 2 2p c i 系统分析 p c i 总线规范( p c is p e c i a t i o n ) 是进行p c i 总线相关设计必须熟知和遵循的 技术准则。该协议包含了信号定义，总线操作协议，电气特性，机械特性，配置 空间设置和6 6 位总线扩展等多方面的内容1 1 】。 了解p c i 总线规范是进行p c i 相关设计的前提，尤其是信号定义，总线操作 协议和配置空问设置是进行p c i 接口芯片设计必须要熟悉的知识，本节将详细讨 论。p c i 总线的电气特性和机械特性，是进行板卡硬件电路设计的必备知识，将 在硬件系统架构一章进行讨论。本论文没有涉及6 4 位p c i 总线扩展问题，相关 理论请参考p c i 总线规范。 2 2 1 p c i 总线的信号定义 在一个p c i 应用系统中，如果某设备取得了总线控制权，就称其为主设备； 而被主设备选中以进行通讯的设备称为从设备或目标节点。图2 4 给出了接口内 外侧，以及p c i 接口与p c i 总线的关系。设备a 和b 是两个独立的芯片，而主 p c i 与从p c i 之间的数据传输是指设各a 的主设备与设备b 的从设备之间的数 幽2 ，4 接口内外侧、土从殴备关系幽 海人学顺l 。学位论文 掘传输，或者相反。用户是指一个芯片内部的p c i 接口的内部功能块。仲裁器是 tp c i 用来仲裁内侧用户申请的，它与p c i 总线仲裁器是不同的。 如果只作为目标的设备，至少需要4 7 条接口信号线，若作为主设备需要4 9 根信号线( 多了总线申请和接受批准两个启动进程的信号) 。利用这些信号线可 处理数据、地址，实现接口控制、仲裁及系统功能，具体信号如图2 5 所示，图 中按功能组列出了p c i 总线信号，“# ”表示低电平有效吼 下面简单介绍p c i 总线协议必备信号： 【1 】系统信号： c l k 是系统时钟信号，输入，本课题使用频率为3 3 m h z 。p c i 信号f 除r s t # 外) 全部在c l k 的上升沿有效。 r s t # 是系统复位信号，输入，用于接口内部各种寄存器、时序器和信号等 的复位操作( 即初始状态) 。复位时，全部输出信号一般都应驱动到高阻态。 【2 】地址数据总线： 。女j 靛撂蠖敲j 毫令? 窜蛩馕缱1 冀姥挎 辛一l 嚣母 错瀵锻 繁髂母 p 畦鸟每 毒缝臻莓 6 嵇窟、龟 f 涟。i 号 疆t 犟镪 聱+ 。簪 巾霸 f ，ig c a r h e 支持嚣手 遘篝 ? 搦譬譬 幽2 5p c i 局部总线信号 a d 3 1 ：0 】是地址、数据地址复用总线，双向。在一个进程中，a d 总线上首 先出现地址周期，接着是数据周期。在地址周期，a t ) 3 ：0 】是一个3 2 位的地址f 虽 然i o 地址、配置空间地址和内存空间地址的地址宽度会不同) 。在数据周期， 与c b e 3 ：0 # 配合使用，数据宽度也是可变的。a d 总线在f r a m e # 、i r d y # 、 街人学倾i j 学位论立 t r d y # 等信号的控制下工作。 c b e 3 ：0 # 是命令、字节使能复用总线，双向。在地址周期，c b e 3 ：0 上传 输总线命令，而数据周期则传输字节使能信号，用于指示a d 3 1 ：0 1 上哪些字节 为有效数据。 p a r 是奇偶校验信号，双向。通过a d 31 ：0 ； t lc b e l 3 ：0 j 黼偶校验。在 地址周期和写操作中该信号由主p c i 驱动，读操作则由从p c i 驱动。 【3 】接口控制信号： f r a m e # 是进程控制信号，双向，由主p c l 驱动，启动和结束个进程。 f r a m e # 的前沿启动进程，后沿结束进程( 即当前传输的是最后一个数据) 。 i r d y # 是“主p c i 准备好”信号，双向，出主p c i 驱动。在写周期中，i r d y # 有效表示主p c i 己将数据发送至a d 3 1 ：o 】上：在读周期中，i r d y # 有效表示主 p c i 己作好从a d 3 | ：0 1 上接收数掘的准备。i r d y # 与t r d y # f l b 合使用，只有当 两者都有效时a d 总线才能传输数据。在数据传输过程中，主p c i 可以通过使 i r d y # 无效插入等待状态。 t r d y # 是“从p c i 准备好”信号，双向，由从p c i 驱动。在写周期中，t r d y # 有效表示从p c i 己作好从a d 3 1 ：o 】上接受数据的准备。在读周期中，t r d y # 有 效表示从p c i 己将数据发送到a d 3 1 ：o l 上。如上所述，t r d y # 与i r d y # 配合使 用，只有当两者都有效时a d 总线才能传输数据。在数据传输过程中，从p c i 可以通过使t r d y # 无效插入等待状念。 s t o p # 是从设备终止进程的请求信号，双向，出从p c i 驱动。 i d s e l 是p c i 总线初始化周期的设备选择信号，输入。在参数配置周期用 作片选信号。 d e v s e l # 是设备选中信号，双向，由从p c 驱动，与f r a m e # 呼应，表示 p c i 总线上的主、从设备握手成功。 【4 】仲裁信号( 只用于主p c i ) ： r e q # 是总线申请信号，双向，由主p c