基于PCI?IP核的碼流接收卡的設計

本文介紹了一種基于Altera公司的PCI接口IP核的DVB碼流接收系統的硬件設計方案及設計要點的分析。該設計采用Altera公司的新一代FPGA芯片EP1C12和PCI IP核以及高速串行數據通信接收芯片，實現DVB-ASI信號的接收。
關鍵詞：DVB；異步串行接口；PCI；IP核?

前言
??? 隨著數字化廣播電視技術的迅速發展和基于MPEG-2標準的圖像壓縮和復用技術的完善，利用PC對大容量信息的處理變得日益重要，如基于PC的軟復用器的實現，使得通過PC接收DVB(數字視頻廣播)碼流已逐漸成為一項不可替代的多媒體數據接收技術。因此，設計基于PC平臺的DVB 碼流接收卡是數字廣播電視發展的需要。
由于DVB-ASI信號的平均傳輸速率為270 Mbps，而DVB傳輸流又要求保證接收的實時性，因此本文選擇了PCI總線。33MHz、32位的PCI總線的數據傳輸速率最高可達133MBps, 完全可以滿足高速實時傳輸的需求。選擇了Altera公司的PCI編譯器軟件包來實現PCI接口控制電路。該軟件包為PCI接口提供了一個完整的解決辦法，包含了PCI控制電路的所有功能。用戶可以通過修改參數生成所需的IP核模塊，以設計自己的外部設備接口邏輯。本文選擇了其生成的PCI_MT32功能模塊。

系統硬件模塊設計
??? 系統的硬件電路設計要求：能將傳輸速率為270 Mbps的串行DVB—ASI碼流實時、無損地通過PCI接口傳輸到PC，以供PC上的應用程序做進一步處理。在操作和使用上要方便，在設計上要求結構緊湊、接口簡單、性能可靠、易于升級。系統硬件框圖如圖１所示。

??? 從圖中可以看出，由于使用了FPGA及PCI IP核，使整個硬件電路顯得特別簡潔。它主要由DVB碼流輸入模塊和核心控制模塊組成。串行DVB傳輸流經同軸電纜進入DVB碼流輸入模塊，轉換為8位并行輸出。核心控制模塊對并行數據進行緩存，并采用DMA方式傳輸給PCI總線，完成本地總線和PCI總線的可靠通信。

DVB碼流輸入模塊
??? 本文選用ASI接口。ASI信號由同軸電纜經BNC接頭輸入，經過互感(用PE65508芯片)轉換為PECL(正向發射極耦合邏輯)差分電平信號，再經過耦合電路，到達CY7B933的差分線輸入端。 CY7B933是Cypress公司的一種用于點對點高速串行數據通信的接收芯片，它完成碼流輸入模塊的核心功能。它有三種工作模式，這里選用它的解碼模式對輸入信號進行8B/10B解碼和串并轉換。最后輸出經過字節對齊的8位并行TLL信號，輸出的信號包括 MPEG-2傳輸流和作為同步字使用的逗號字符(在8B/10B傳輸碼規則中定義為 K28.5專用字符)，其輸出速率恒定為27MBps。

圖１ 系統硬件框圖

核心控制模塊
??? 核心控制模塊由FPGA控制電路和異步FIFO組成。主要完成對輸入ASI信號的緩存和對PCI總線信號的控制的功能。其中最主要的部分是FPGA控制電路。基于整個系統的性能的考慮，選擇Altera公司的EP1C12。這款芯片有12060個邏輯單元，52個RAM塊等資源，完全可以支持本設計的要求。

??? FPGA控制電路內部框圖如圖2所示，它是本設計的核心部分，對輸入的ASI信號保留有效的DVB傳輸流，發送到FIFO輸入端進行緩存。并將FIFO緩存后輸出的數據用DMA傳輸方式通過PCI總線實現對PC內存的存取，同時利用FIFO的標志信號控制DMA傳輸過程。下面對FPGA控制電路的各模塊進行介紹。

PCI_MT32功能模塊
??? 本文在選擇PCI接口芯片時，選擇了Altera公司的PCI 編譯器軟件包，它可以參數化地生成用于PCI接口的IP核----MegaCore。這個可編譯和綜合的MegaCore有以下4種宏功能模塊：PCI_MT64、PCI_MT32、PCI_T64和PCI_T32。它們都可以完成總線協議的轉換，將復雜的、電氣和時序要求高的PCI總線邏輯轉換為易于操作的本地接口邏輯，遵循PCI總線協議2.2版，經過嚴格的工業級驗證并支持多款優化FPGA。其中，PCI_MT32是支持33/66MHz工作頻率、32位PCI總線、支持主/從模式的PCI IP功能模塊。考慮到市場的需求，通常的PC主板都支持32位PCI，且在主模式下DMA控制器才能工作，因此選擇了PCI_MT32。 本地信號都以l (local)開頭，其中以lt_開頭的是從控信號，以lm_開頭的是主控信號。

??? 要使用PCI_MT32功能模塊就要了解其配置寄存器，配置寄存器中的基址寄存器最為重要，PCI_MT32共提供了6個基址寄存器，可以映射6個存儲器或I/O 空間。在操作系統啟動前后，基址寄存器分別起到兩個作用。在操作系統啟動前，基址寄存器存放定義的空間長度。以使加電軟件以確定在系統中有多少存儲器以及系統中的 I/O 控制器要求多少地址空間，然后才可以把 I/O 控制器映射到合理的地址空間并引導系統。在操作系統啟動后，基址寄存器又要起到存放基地址的作用，通過對要存取的基址寄存器用配置寫操作寫入基地址，再通過基地址加偏移量就可以訪問想要存取的空間。

圖2 FPGA控制電路內部框圖

主控邏輯模塊
??? 當PCI_MT32作為PCI總線主設備進行主模式操作時，主控邏輯模塊對PCI_MT32本地側信號進行控制以執行PCI主模式寫事務，將FIFO的數據傳送給從設備。同時還為DMA引擎提供PCI總線所處的狀態，如總線是否處于數據階段，是否有從設備終止等。

??? 模塊的主要設計思路：當PCI總線仲裁器允許PCI_MT32成為總線主設備時，PCI_MT32功能模塊在本地側輸出lm_adr_ackn信號，表明地址階段開始，此時主控邏輯模塊應在l_adi線提供PCI地址，并在l_cbeni線提供PCI命令。在接下來的數據階段，如果本地側數據已準備好，就使lm_rdyn(本地側主設備準備好)信號有效，并在l_adi線提供數據，在l_cbeni線提供字節使能。如果從設備被選中且準備好，數據傳輸就開始了。最后，通過通知PCI總線當前周期是本地側最后的數據階段，在完成這次數據傳輸后就進入總線空閑狀態，PCI_MT32不再是總線主設備，一次數據傳輸也就結束了。

從控邏輯模塊
??? 當PCI_MT32作為PCI總線從設備進行目標事務操作時，從控邏輯模塊對PCI_MT32本地側信號進行控制。PC通過讀本地側相應寄存器，了解當前狀態，通過對相應DMA寄存器的寫操作，來啟動DMA引擎。由于對寄存器的讀寫只用到目標單周期事務，且大部分信號由主機控制，從控邏輯相對簡單。主要是保證在要存取的目標地址命中，且frame信號有效時，trdyn(從設備準備好)信號有效。

圖3? DMA狀態機流程圖

DMA引擎模塊
??? DMA引擎模塊由DMA寄存器、DMA狀態機等模塊構成，當PCI_MT32作為PCI總線主設備進行主模式寫操作時，它與主控邏輯模塊共同將FIFO緩存輸出的數據通過DMA操作發送到PCI_MT32本地信號側。 其中，DMA寄存器的地址直接映射到PCI的地址空間，其基地址由PCI_MT32中的配置寄存器Bar0決定。主機通過訪問這些寄存器來控制DMA操作。寄存器包括控制狀態寄存器、PCI地址寄存器和中斷狀態寄存器。DMA狀態機模塊流程如圖3所示。

??? 以下對DMA狀態機進行簡要描述：狀態機無數據傳輸時默認停留在空閑狀態。當PC寫控制狀態寄存器中的啟動位，就啟動狀態機，進入裝載寄存器狀態。自動裝載PCI地址寄存器后進入等待請求狀態。如果FIFO中的數據已經半滿，進入請求狀態申請占用PCI總線，接著進入等待允許狀態，等待PCI設備獲得總線的控制權。當PCI設備成為總線主設備，就進入準備狀態。判斷PCI總線的地址階段結束將要進入數據階段，則進入傳輸狀態，進行數據傳輸。此時，如果從設備提出終止，則返回寄存器有效狀態，根據情況重新申請總線的控制權；如果本次DMA數據傳輸結束或出現PCI異常中斷、PCI系統錯誤、PCI奇偶校驗錯誤、FIFO滿等錯誤時，則分別進入結束狀態或錯誤狀態，寫中斷狀態寄存器的相應位，同時發出中斷信號。PC收到中斷后，讀中斷狀態寄存器確定中斷類型，以進行下一步操作。最后返回空閑狀態，并清除中斷。

圖4 PCI DMA傳輸仿真波形圖

FIFO邏輯控制模塊
??? FIFO邏輯控制模塊根據CY7B933輸出的狀態信號，刪除同步字K28.5，只將有效的數據讀入，并將數據送入異步FIFO緩存。當FIFO空、半滿、滿時，對相應寄存器進行操作或通知DMA引擎模塊，以防止數據的溢出或空讀。

??? 異步FIFO在核心控制模塊中，主要起到兩個作用。一是數據緩存，在系統進行DMA操作，將數據從ASI接口寫入PC內存時，DVB-ASI數據仍在源源不斷地輸入系統，FIFO可以將這些數據緩存，以防止數據丟失。二是時鐘隔離作用，輸入的ASI信號時鐘是27MHz，而PCI時鐘達到33MHz，這就要求對兩個頻率不同的時鐘進行同步，異步FIFO的數據輸入和輸出分別使用不同的時鐘，從而實現時鐘的隔離和無縫拼接。由于本設計對FIFO容量的要求較大，因此不采用Megafunction技術構造，而使用專門的高速FIFO芯片。

設計結果
??? 在Quartus－II中進行了vhdl源程序仿真。圖4是用DMA方式進行PCI傳輸結果的仿真波形圖。其中ASI_D為模擬輸入的8位ASI碼流，在對相應的DMA寄存器進行操作后，啟動DMA引擎，圖中①處PCI_MT32通過拉低reqn信號發出總線占用請求信號，②處PCI總線仲裁器通過拉低gntn信號允許PCI_MT32成為主設備。③處進入地址階段，PCI_MT32在ad線上提供地址，在cben線上提供總線命令。在接下來的多個數據階段(圖中④處)，PCI_MT32在ad線和cben線上分別提供ASI_D輸入的數據和字節使能，由于輸入ASI信號是8位，而ad線為32位，因此利用ad信號的低8位來傳輸數據，可見,輸出數據與ASI_D輸入的數據相同。由于DMA傳輸長度的關系，本圖最后通過模擬從設備斷開(圖中⑤處)，終止了這次傳輸。由于DMA傳輸沒有結束，在終止后，DMA狀態機根據判斷狀態，還會自動繼續傳輸。從圖中可以看出，framen、irdyn、trdyn、devseln等接口控制信號完全符合PCI時序的要求。實現了將ASI信號通過PCI總線與PC進行實時數據傳輸的目的。圖中32位ad信號的高位沒有得到充分利用，如果需要，可以很方便地利用它們將電路升級為兩路或4路的多路DVB-ASI碼流接收卡。如果使用支持64位PCI總線的PCI_MT64功能模塊，則最多可以實現8路ASI信號的接收。

結語
??? 本系統采用FPGA加PCI IP核的模式實現對高速、大容量DVB傳輸流的實時傳輸，實現了系統設計的目標。選擇PCI總線可以保證在足夠的帶寬下進行數據傳輸。FPGA的應用易于在線升級電路，擴充平臺的功能。IP核的使用使硬件電路更為簡潔、可靠。經過驗證，本文設計的系統可以很好地實現DVB-ASI信號的接收功能，同時，也可以作為其它DVB-ASI應用的基礎平臺，有著良好的應用前景。

參考文獻：
1 Altera Corporation.? PCI Compiler User Guide. October 2005
2 李貴山，戚德虎． PCI局部總線開發者指南[M]．西安：西安電子科技大學出版社，1997
3 紀獻永，黃皆雨等.? DVB-ASI信號接收與發送系統的研究. 北京：電視技術，2004(11): 87-88