基于CPLD技術和PCI總線技術實現數據接收和存儲系統的設計

前言

目前衛星技術已廣泛應用于國民生產的各個方面。通訊衛星，氣象衛星以及遙感衛星，科學探測衛星等與人們的生活密切相關。衛星所收集的大量數據資料能否及時準確地下傳、接收和存儲是衛星技術的一個重要方面。其傳送過程如圖1所示。

從衛星上高速下傳的數據由地面衛星接收站轉發為基帶信號，通過光纜傳送至數據中心，速度可達上百兆波特率，要求系統正確接收，經過同步和預處理，然后存入計算機系統，供數據中心使用。其特點是：數據下傳速度高，數據量大，持續時間長，并且要求具有差錯控制功能。而本文介紹了為了滿足此要求而設計的數據接收和存儲系統。

系統設計

數據接收和存儲系統主要包括數據接收和預處理，數據傳送，數據存儲等部分。本文主要介紹CPLD，PCI總線結構，總線控制器PCI9054。其系統組成如圖2所示。

基帶串行信號由復雜可編程邏輯器件（CPLD）進行串并轉換，變為8位數據信號后根據編碼方式找到同步幀，并進行預處理，然后傳到先入先出存儲器FIFO，在邏輯控制下將數據送入PCI總線控制器PCI9054，由9054采用DMA突發方式傳輸至內存，再存儲到RAID磁盤陣列。

采用復雜可編程邏輯器件（CPLD）可大大減少復雜的控制，通過VHDL語言即可靈活設置控制邏輯。而且隨著超大規模集成電路的發展，可編程邏輯器件的發展非常迅速，現已達到數十萬門，速度《1ns（管腳之間）。由于高速電路設計中的干擾問題非常嚴重，因此要盡可能地減少線路設計，所以采用CPLD不僅可滿足系統要求的復雜的邏輯關系，而且可大大減少布線干擾，調試和更改也非常方便，是今后邏輯控制的發展方向。在本系統中，CPLD不僅實現串并轉換和同步的功能，同時還用以實現數據進入FIFO以及由FIFO傳入PCI9054的傳輸控制邏輯，中斷邏輯以及主機對數據傳輸通道的前端控制。

在總線結構上，由于數據傳輸速度高，以往的ISA總線不能滿足要求（ISA總線最大傳輸速度5MB/S），必須采用更快的PCI總線結構。PCI總線協議是Intel公司1992年提出的，為滿足高速數據輸入/輸出要求而設計的一種低成本，高性能的局部總線協議。它是一種獨立于處理器的總線結構，具有32位或64位的復用的數據地址總線，總線上的設備可以以系統總線的速度在相互之間進行數據傳輸，或直接訪問系統內存，可以達到132MB/s的數據傳輸速率（64位則性能加倍）。采用PCI接口的設備必須滿足PCI接口規范V2.2標準。

PCI 總線結構具有非常明顯的優點，但其總線規范十分復雜，要求非常嚴格的時序關系，接口的設計難度較大。因此，為了減少PCI總線在實際應用中的復雜性，許多公司設計出了專門針對PCI總線接口的控制芯片。PCI9054就是其中比較先進的一種。PCI9054是PLX公司推出的一種33M， 32位PCI接口控制器，可同時支持3.3V和5V兩種信號環境，并且具有電源管理功能。其結構框圖如圖3所示。

它提供了三種物理總線接口：PCI總線接口，LOCAL總線接口，及串行EPROM接口。

LOCAL總線的數據寬度為32位，時鐘頻率可達到50MHZ，并且支持數據預取功能。 9054的LOCAL總線與PCI總線之間數據傳輸有三種方式：主模式（Direct Master），從模式（Direct Slave），DMA方式。其內部具有兩個DMA數據通道，雙向數據通路上各有6個FIFO進行數據緩沖，可同時進行高速的數據接收和發送。8個32位Maibox寄存器可為雙向數據通路提供消息傳送。9054還有2個32位Doorbell寄存器，用來在PCI和Local總線上產生中斷。

用戶通過設置其內部寄存器，即可完成各種控制功能。9054內部寄存器的配置信息可以寫在一片串行EPROM中，在加電時9054自動加載串行EPROM配置信息，并由PCIBIOS通過PCI總線對配置寄存器讀寫。9054可方便地與各種存儲設備相連接，在本設計中，它與FIFO及EPROM的設計接口如圖4所示。在本系統中，數據傳輸是單方向的，因此只設計PCI9504從FIFO中讀數據的情況，只用到與讀FIFO有關的信號，如REN，RCLK等。其中的CPLD邏輯關系如下：

REN平時為高電平（無效電平），當ADS#為低（有效），BLAST為高（無效），LW/R為低（有效）時，表明9054開始了一個有效的讀數據周期，CPLD產生一個低電平信號REN（有效電平）給FIFO，同時作為Ready信號返回給9054，通知9054設備已準備就緒。此信號持續到ADS#為高（無效）且BLAST為低（有效）時，表明9054已經開始最后一個周期，此時REN信號再次變高電平（無效）。

OE信號與REN信號可同樣設置，在讀信號允許的同時使能FIFO芯片。

本設計中采用了PCI9054的DMA工作方式，在此方式下，9054作為PCI總線的主設備，同時也是Local總線的控制者，通過設置其DMA控制器內部的寄存器即可實現兩總線之間的數據傳送。表1顯示了與DMA傳輸相關的寄存器在PCI總線上的地址分配：

PCI9054的DMA傳輸過程可由以下幾個步驟實現：

1．設置方式寄存器：設置DMA通道的傳輸方式，寄存器DMAMODE0或者DMAMODE1的位9:0-表示塊傳輸，1-表示散/聚傳輸；

2．設置PCI地址寄存器：設置PCI總線側的地址空間。

3．設置LOCAL地址寄存器：設置LOCAL總線側的地址空間。

4．設置傳輸計數寄存器：以字節位單位設置傳輸數據量。

5．設置描述寄存器：設置DMA傳輸的方向；在散/聚方式下，位0表示傳輸參數的加載地址，0-PCI地址，1-Local地址；位1表示傳輸鏈結束，0-未結束，1-結束；位2設置當前塊傳輸結束后中斷；位3指示DMA的傳輸方向，0-從PCI總線到Local總線，1-從Local總線到PCI總線；高28位［31:4］表示傳輸參數表的地址指針。

6．設置命令/狀態寄存器：啟動或停止DMA操作，并讀此寄存器返回DMA狀態。