0 引言

　　PCI总线是目前推出的一款高性能局部总线[1]，能同时满足高数据传输和高功率输出，是中频数据采集与处理模块的理想总线接口[2]。PCI 局部总线不受制于处理器，为中央处理器及高速外围设备提供了一座桥梁[3]，用户可将高速外设通过局部总线直接挂接到 CPU总线上，使其与之匹配，从而打破了数据传输的瓶颈，使高性能 CPU 的功能得以充分发挥。

　　PCI总线接口的设计思路总体上可分为两种方法，一是采用专门的接口芯片，二是采用可编程逻辑器件[4-5]。这两种方法在不同角度皆有利弊。

　　文献[6]提出专用芯片可以将复杂的总线接口转换为相对简单的用户接口。用户可集中精力于应用设计，而不是调试PCI接口。但这种方式造成了一定的资源浪费，缺少灵活性。为了解决这些弊端，文献[7]提出采用Xilinx、Altera以及Atmel等公司的可编程逻辑器件IP核实现PCI总线接口。最常用的IP核是Altera公司的PCI MegaCore和Xilinx公司的PCI LogiCore，但采取这两种IP核的费用不菲，且主模式设计难度较高，让大多数研究人员望而却步。文献[8]论述了PCI主桥的的应用和WISHBONE片上总线技术，提出了使用单片机和FPGA架构实现基于PCI Bridge核的被动模式的PCI系统。

　　本文针对两种方式的不足，在文献[8]的基础上，针对WISHBONE总线特点及国外开放IP组织Open Cores网站免费提供的开源PCI-WISHBONE桥核，优化该IP核主传输模块状态机程序，仅使用一片可编程逻辑器件嵌入用户程序，将时钟频率提至66 MHz，首次实现了一种以高速DMA方式传输、主从共模的PCI接口设计。

1 PCI总线与PCI-WISHBONE桥核

　　1.1 PCI总线

　　PCI总线是同步传输协议，所有PCI操作均同步于时钟。总线时钟有33 MHz、66 MHz两种频率，位宽分为32 bit和64 bit两种，最大传输速率为264 MB。系统中 PCI总线的最大带宽可达：66×106×32=2.112 Gb/s。

　　重要的是，PCI可以支持一种名为线性突发的数据传输模式，可确保总线不断满载数据。这种线性的或顺序的寻址方式，意味着可以由一个地址起读写大量数据，然后每次只须将地址自动加1，便可接收数据流内下一个字节的数据。线性突发传输能更有效地动用总线的频带宽传输数据，减少无谓的寻址操作。同时，PCI对总线主控及同步操作的支持有助于改善PCI的性能，即可将任何一个具有处理功能的外围设备暂时接管总线，以加速执行高吞吐量、高优先次序的任务。PCI独特的同步操作功能可确保CPU能与这些总线同步操作，毋须等待后者完成任务。

1.2 PCI-WISHBONE桥核

　　PCI-WISHBONE IP核提供了一个PCI总线和WISH-

　　BONE总线之间的接口，兼容PCI 2.2协议，支持WISHBONE SoC互联协议B版本。它适用于32位PCI 接口，包含独立的主桥、从桥功能模块，支持启动程序与目标命令功能，例如存储器读写、I/O读写、中断应答等操作。

　　如图1、图2所示，PCI-WISHBONE桥核包括2个单元：PCI 主单元和从单元，每一个单元都拥有自己的一套功能支持桥接操作。例如图1，PCI 主单元与WISHBONE主单元共同处理WISHBONE总线起动的交易。首先，由WISHBONE从接口发起信号占用PCI总线，若PCI总线响应成功，WISHBONE接口将传输数据，地址以及命令经由FIFO，通过PCI接口传至PC机内存空间。 图2为PCI从模式机制，主要处理由上位机启动的事务，同上述主模式基本一致，此处不再叙述。

图1 PCI主单元结构

图2 PCI从单元结构

2 PCI高速传输接口设计

　　2.1 硬件架构设计

　　本文设计的双向高速数据传输系统基于FPGA平台，以开源的PCI-WISHBONE软核为核心搭建串行通信接口平台，使其成为PCI总线与用户逻辑之间的桥梁，避开复杂的PCI总线协议。其采用Xilinx公司的XC7A200T-2FFG1156 主芯片作为硬件核心，结合基于WinDriver的驱动程序，采取规格为640×512的图像作为模拟数据源，以乒乓方式轮流读写主机内存，实现了高速图像数据的双向传输。

　　在硬件方面，根据PCI总线规范2.2版，当PCI接口引脚M66EN是高电平时，总线时钟频率可控制在33 MHz~66 MHz范围内，反之为0~33 MHz。该模块设计原理图如图3所示，用户可使用跳线帽自由控制PCI总线时钟频率。当引脚2与1相接时，总线时钟频率高达66 MHz。

图3 PCI总线时钟模块原理图

2.2 PCI-WISHBONE桥核主模式传输设计

　　PCI-WISHBONE桥核内置功能接口允许用户端访问PCI总线，用户可将其设计为主模式传输方式，设计方案如下：

　　pci_constants、bus_commands和pci_user_constants是桥核可外部修改的3个配置文件。用户可将其设置成客户端应用(Guest)与主端应用(Host)。本文设计采用Guest模式，支持PCI总线的主机系统连接。在接通电源时，该设备独立软件扫描主机系统中任何连接PCI插槽的设备，主机系统进行配置周期，PCI桥和连接到主机系统的所有其他PCI设备在上电复位后响应。下面的步骤必须以正确的顺序来执行，以确保适当的PCI桥的操作：

　　(1)配置所有PCI基地址寄存器。

　　(2)启用PCI主操作和响应内存与I/O空间的从操作。

　　(3)配置合适的PCI配置空间Type00 Header寄存器。

　　(4)前3个步骤完成后，所有的配置寄存器可以在PCI Image0地址范围内使用存储器读写命令进行访问。而其它寄存器可配置合适的应用。

　　(5)当配置好所有的PCI桥寄存器后，软件便可以通过PCI从单元访问从设备或通过WISHBONE从接口启用主设备来访问PCI总线。

　　PCI-WISHBONE桥核采取中断机制，能够应对不同的事件产生中断，由中断控制和中断状态寄存器控制中断请求的产生。作为Guest桥时，由PCI总线INTA＃引脚产生中断请求；而作为Host桥时则通过WISHBONE总线上INTA_O引脚发起中断。中断控制寄存器用于使能/禁止不同来源的中断。中断状态寄存器用于确定中断源，并清除中断请求。

2.3 DMA双向传输状态机优化设计

　　为了方便测试，本文使用Verilog语言设计实现了一种规格为640×513的图像数据源，该数据流以62.5 MHz的同步时钟发送，由帧结束信号和图像有效数据组成。其中单副图像数据位宽为16，以列的形式传输，每帧图像结尾增加帧结束信号标志（第513行）。

　　为了提高传输速率，驱动程序需申请两段可读写内存块，将2个内存首地址通过从模块传递给FPGA，保存在寄存器中。同时，当驱动程序检测到PCI卡时，给予合适的中断、传输命令并及时回馈状态信号，这样驱动程序与FPGA完成交互。

　　如图4所示，根据传输流程定义4种状态，分别为开始，读操作，写操作以及重试。状态机上电复位后处于Start状态，数据进入PCI后，由状态机分辨上位机的命令（Img_en）发起内存读写事务。此时由于PCI的传输速率（66 MHz）远大于图像速率（62.5 MHz），需将数据暂存于FIFO中，等到上位机允许传输并缓存数据达到既定数量时（img_fifo_half），状态机转向读写操作状态。

图4 主模块状态机示意图

　　在Read/Write状态下，对应的地址和数据将传给wbm_adr_o 和wbm_dat_o信号线，传输完毕后进入Retry状态。当主桥同PCI总线握手后，通过WISHBONE总线回馈给状态机信号（wbs_ack_o, wbs_err_o, wbs_rty_o，分别表示传输成功、错误和重试），从而继续发起下一次事务或重复本次事务直至本幅图像传输完毕。

　　当检测到图像帧结束标志时，预示着该幅图像传输即将完毕，此时FPGA会产生一个高位信号传至PCI接口中的INTA＃引脚（中断引脚）通知上位机。一方面驱动程序以电平检测方式分辨出该信号，迅速清除中断并读取内存空间，保存数据或显示图像；另一方面主模块切换内存首地址，进行下一幅图像传输。乒乓传输方式的采用，不仅提高了传输速率，更给驱动程序保留处理时间。

3 实验验证

　　PCI传输系统程序主要包括模拟源和PCI传输模块，均使用Xilinx公司的ISE14.4软件进行开发，硬件仿真软件ISIM进行仿真。数据处理方面可将16位的模拟源数据(img_in[15:0])与累加的内存地址进行拼接处理后分别送入PCI主模块中（wbm_adr_o[31:0]和wbm_dat_o[31:0]）。

　　Xilinx公司7系列FPGA芯片的基本逻辑单元称为CLB，每个CLB包含2个Slices，每个Slices由8个寄存器（Registers）和4个6输入的查找表（LUTs）组成。该PCI传输接口设计FPGA资源使用率如表1所示，寄存器、查找表使用率皆在1％~2％之间，被占用的Slice总数约占总数5％左右，而触发器使用数量为1 713，约占总数的34%。

　　表1结果表明，本设计能有效降低FPGA内部硬件资源使用率，在各种资源利用之间达到一种平衡，从而最大限度地发挥器件的功能。

　　系统搭建如图5所示，驱动程序在Windows XP操作系统中实现。由于该项目设计了单独的PCB板作为模拟源输入，每行数据为0000-027F数据，经过PCI采集后将传输结果以灰度图像形式展现，每行数据由黑到白，与输入的模拟数据源相对应。经过多次的验证，该系统PCI时钟可达66 MHz，数据稳定，符合设计标准。

图5 PCI系统框架图

4 结论

　　双向PCI传输接口采用国外网站Open Cores开源的PCI-WISHBONE桥核设计了DMA双向高速传输接口，并实现了以FPGA为主处理器、主机为从处理器的图像传输系统。该接口卡目前已应用到三维免模板磨边机系统中，进行高速数据传输。实验发现，设计的PCI接口卡具有传输速率高、配置灵活、简便、可移植性强等特点，满足项目高速传输数据的需要。

参考文献

　　[1] 田小林．基于FPGA的PCI总线接口设计[J]．今日电子，2004(6)：60-62．

　　[2] 杨军．基于IP CORE的PCI接口设计及在数字中频采集与处理模块中的应用[D]．成都：电子科技大学，2009．

　　[3] 苏治国．PCI总线接口芯片PCI9052及其应用[J]．世界产品与技术，2002(5)：36-37．

　　[4] HUANG J.Design of online pipeline ultrasonic data acquisition and storage system based on PCI Bus[C].Applied Mechanics and Materials.Trans Tech Publications，2014，651：2296-2300.

　　[5] Yu Hongsong.Design of general-purpose video image process system based on Compact-PCI bus and FPGA+DSP structure[J].Chinese Journal of Liquid Crystal & Displays，2015，30(2).

　　[6] 曾哲昱．用CPLD实现PCI总线目标接口[J]．测控技术，2002(1)：45-47．

　　[7] 邹戗祁．PCI总线的实现方案及其实例[J]．电子工程师，1997(7)：7-8．

　　[8] 徐江丰．基于WISHBONE片上总线的PCI Bridge核的研究和应用[J]．电子设计工程，2005(4)：23-26．

　　[9] WISHBONE Soc Architecture Specification , Revision B.1[EB/OL].http://www.silicore.net.