高性能PCI总线控制器在高速数据传输系统中的应用

摘 要：介绍了在一个高速数据压缩设备测试系统的研发中，用于其中“模拟图像数据源”和“数据接收终端”模块----高速PCI接口卡的设计，并介绍了所采用的PLX公司出品的最高性能的PCI总线I/O加速器----PCI 9656。

关键词：PCI；总线控制器

引言
为了完成对“高速数据压缩/解压缩设备“的测试和验收工作，需要研制一套测试手段完备的“高速数据压缩设备测试系统”。该系统由四个分系统组成：“模拟数据源”、“分路器”、“信道误码产生器”、“数据接受终端”。该测试系统要求具有较高的灵活性，通过改变硬件和软件设置，可以提供不同传输速率、不同量化目标的图像数据格式，同时，还可以在串行数据流中产生对应多种误码率的误码，以满足各种应用场合的需求。
其中以下模块均通过高速数据传输卡来完成：

（1）模拟图像数据源：可以灵活地利用已有的图像数据模拟TDI CCD相机输出，为“高速数据压缩设备”提供标准的图像数据；
（2）数据接收终端：能够准确无误地接受到‘高速数据接压缩设备”送出的图形数据，为准确地评价其压缩/解压缩图像质量和压缩算法的稳健性提供保证。

技术方案及实施途径

“高速数据压缩设备测试系统”以支持PCI64的服务器为平台，以服务器内存为缓存空间，通过高带宽PCI总线实现图像数据的高速传输。这种方案具有最大的灵活性和广阔的扩展空间。

模拟数据源实现方案
模拟数据源支持PCI64的高档服务器为平台，将需要发送的图像数据从服务器的硬盘加载到服务器内存中，然后通过高带宽的PCI总线将图像定时地发送出去。模拟数据源的实现结构如图一所示。

数据接收终端实现方案
数据接收终端采用支持PCI64的高档服务器为平台，将接收到的高速图像数据暂时存放服务器的内存中，当接收完规定大小的图形数据后，再将所接收到的图像数据从服务器的内存转存到服务器的硬盘中去。数据接收终端的实现结构如图二所示。


图一 模拟数据源实现方案

图二 数据接收终端实现方案

从以上可以看到，模拟数据源送出部分和数据接收终端其实就是数据走向相反的同样结构的PCI总线接口卡。

器件的选用

测试系统指标
模拟数据源的技术指标要求数据传输速率最大可达500Mbit/s(当字宽超过8位时，最大速率为250Mbit/s),而且，传输速率也可以预先设置和改变；而数据接收终端接收来自多路其中一路图像解压设备送来的图像数据，数据传输速率要求同上。

器件的选用
根据系统所要求的指标，要达到每秒传输500Mbit的速率，则接口卡数据传输时钟必须达到62.5MHz。这里决定选用PLX公司的PCI9656—32bit、66MHZ的PCI总线、局部总线主从传输控制器。这一芯片的总线峰值传输速率能达到264M字节/秒（66×4），能满足要求；由于接口卡与外部电路数据传输的速率不同。需要接一个起缓存作用的存储器，采用Cypress公司出品的高速双端口FIFO (64k×18)两片作为缓存器；关于字节转换器将采用ALTERA公司的高性能可编程逻辑系列产品来设计实现，条件是该种芯片能完全兼容PCI2.2总线协议、高速、低功耗、高密度，支持多种接口电压（3.3V、5V、2.5V）；至于PCI总线控制器与局部存储器件需要通过一个CPLD来产生控制读写数据的时序转换的信号，在可编程芯片内资源允许的情况下，可以和字节转换器放在一块芯片中。

PCI 9656简介
随着 PCI 不断演化以满足业界领先系统不断增加的 I/O 需求，PLX 也在不懈地努力，以提供业界领先、高性能的 PCI I/O 加速器解决方案。基于业界领先的 PCI 9054 架构，PCI 9656提供了多种增强功能，可满足当今电信、联网和 I/O 适配器设计的需要。PCI 9656 提供灵活的连接性和高性能的 I/O 加速器特性，用于业界领先的 PCI、CompactPCI 和嵌入式主机设计。

（1）性能
64 位、66MHz PCI 操作；32 位、66MHz 局域总线操作 ；动态 DMA 描述符环管理，带有效位标志控制 ；支持 CompactPCI/热交换 ；PCI 电源管理 v1.1 D3COLD 电源管理事件 (PME) 生成 ；PCI 判优器，支持七个外部主控器 ；用于嵌入式主机应用产品的重置和中断针脚配置 ；JTAG 边界扫描 ；PCI 9656 的寄存器与 PCI 9054 兼容，可轻易地进行软件移值；64 位、66MHz 符合 PCI v2.2 规范 ；Motorola PowerQUICC 和通用 32 位、66MHz 局域总线模式 ；3.3V I/O、5V 容错总线接口 ；支持 CompactPCI v1.0 热交换 ；272 球、27 x 27 mm、1.27 mm 间距 PBGA零等待状态突发操作 ；PCI 总线突发传输速度高达 528 兆字节/秒 ；局域总线突发传输速度高达 264 兆字节/秒 ；2 DMA 通道 ；块模式和分散/集合模式传输 ；DMA 描述符环管理 ；请求模式和 EOT H/W 控制 ；预读取和可编程预读取计数器 ；直接从属数据传输；可访问8位、16 位和 32 位处理器总线设备 ； 读延迟、写延迟、预读取、上传写入、可编程预读取计数器。

（2）主控传输
两个局域总线地址空间映射到 PCI 总线：一个到存储器；一个到 I/O
生成所有 PCI 存储器 I/O 处理类型，包括存储器写入和失效 (MWI)
独立的 16 Qword（128 字节）读取和 32 Qword（256 字节）写入 FIFO
预读取和可编程的预取计数器
PowerQUICC读延迟和IDMA（仅用于M模式）。

（3）目标传输
两个通用和一个扩充 ROM PCI 地址空间映射到局域总线存储器----每个地址空间可指定 8 位、16 位或 32 位局域总线数据传输
读延迟、写延迟、上传写入、预读取和可编程的预取计数器
可编程 #READY 超时和恢复

（4）DMA、直接主控和直接丛属共有的先进性能
零等待状态 PCI 和局域总线突发
深层 FIFO 延长突发
任何字节长度的非对齐式 PCI 和局域总线传输
快速 Endian 编码转换
可编程的局域总线等待状态
对两个总线的奇偶校验检查
独立的 16 Qword

图三 PCI 9656内部方框图

在当今的传统 PCI 应用产品中，电源管理和绿色 PC 已经成为关键特性。PCI 9656 支持 PCI 电源管理，包括在 D3COLD 状态生成 PME。这在 Windows 98 和 Windows 2000 系统中是解制解调器和通信适配器的基本要求。

总结

在接口卡设计中需要解决一些技术问题：一是高速PCI总线控制器的应用问题，目前对PCI总线控制器的应用大多集中在32bit（或者16bit）33MHZ的性能水平上，针对66MHZ控制器应用很少，如何充分利用已达到预期的高速设计目标，将是最主要的问题之一；二是高速FPGA的设计问题，要正确地产生控制信号，必须清楚了解时序关系，要提高FPGA芯片的使用效率，还要对FPGA芯片的设计布局技巧、设计方法多加钻研，多加测试才能达到系统的最优化，这也是目前进行FPGA设计讨论最多的一个问题；另外就是高速电路板的设计问题，高速电路板的设计对整个设计方案的成功与否有着决定性的作用，一旦产生小小疏忽将可能达不到预期的指标而导致整个设计的失败。