近年來，隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，通信、網(wǎng)絡(luò)、雷達(dá)、遙測(cè)遙感等諸多領(lǐng)域都面臨著數(shù)據(jù)量日趨龐大的問題，這對(duì)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)也提出了更高的要求。尤其在雷達(dá)領(lǐng)域，雷達(dá)新體制新技術(shù)的提出與應(yīng)用，如數(shù)字波束形成技術(shù)、高速A/D轉(zhuǎn)換器件的應(yīng)用等等，使得雷達(dá)系統(tǒng)所需處理的信號(hào)通道數(shù)越來越多，數(shù)據(jù)率也越來越大，龐大數(shù)據(jù)量的實(shí)時(shí)傳輸逐漸成為制約雷達(dá)系統(tǒng)性能的瓶頸之一。當(dāng)前，高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)已經(jīng)成為了人們研究的熱點(diǎn)問題。

        CPCI(Compact PCI)總線是國際工業(yè)計(jì)算機(jī)制造者聯(lián)合會(huì)PICMG(PCI Industrial Computer Manufacturer’s Group)提出的一種高性能工業(yè)總線接口標(biāo)準(zhǔn)^[1]。與傳統(tǒng)的工業(yè)計(jì)算機(jī)總線相比，CPCI總線具備以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：(1)傳輸速率高。從總線速度上看，32 bit/33 MHz的CPCI總線最大傳輸速度為132 MB/s；對(duì)于64 bit/66 MHz CPCI總線則峰值速度可達(dá)528 MB/s。(2)與PCI總線標(biāo)準(zhǔn)完全兼容，有利于用戶將基于PCI總線開發(fā)的成熟技術(shù)與產(chǎn)品向工業(yè)設(shè)備上推廣。(3)采用歐插機(jī)械結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，具備良好的耐用性、散熱性、抗震性和易維護(hù)性等性能，適合工控、軍事、電信等惡劣工作環(huán)境的使用。此外其還具有高擴(kuò)展、支持熱插拔等性能。CPCI總線的種種特性使得該技術(shù)在雷達(dá)、通信、控制等領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用^[2-4]。

        本文以CPCI總線接口設(shè)計(jì)作為研究對(duì)象，針對(duì)某雷達(dá)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸與控制的需求，完成了雷達(dá)接收機(jī)數(shù)據(jù)傳輸接口的設(shè)計(jì)與開發(fā)，為雷達(dá)系統(tǒng)各板卡間的正常通信提供了保障。

1 系統(tǒng)需求

        該雷達(dá)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，系統(tǒng)涵蓋主控板卡，數(shù)據(jù)采集板卡、同步控制板卡和頻率合成板卡等多種不同類型的外圍板卡。其中主控板卡負(fù)責(zé)收集多塊數(shù)據(jù)采集板卡的數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)信號(hào)處理，以及完成對(duì)所有外圍板卡的參數(shù)配置與控制。主控板與外圍板卡的通信通過數(shù)據(jù)總線來完成。經(jīng)過分析，得知多塊數(shù)據(jù)采集板卡向主控板上傳數(shù)據(jù)的最大傳輸速率和不超過10 MB/s，而主控板下發(fā)控制參數(shù)信息至外圍板卡的傳輸速率則要求更低。因此CPCI總線的傳輸速率足以勝任系統(tǒng)需求。

        該雷達(dá)系統(tǒng)的主控板卡為外購產(chǎn)品，因此設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于外圍板卡端的數(shù)據(jù)總線接口設(shè)計(jì)以及主控板卡端的驅(qū)動(dòng)開發(fā)。此外對(duì)于雷達(dá)外圍板卡端而言，雖然可分為多塊不同類型的板卡，功能不同，但其CPCI總線接口電路的設(shè)計(jì)應(yīng)基本一致，保證版本的統(tǒng)一性，方便調(diào)試與維護(hù)。

2 硬件設(shè)計(jì)

        目前常見的CPCI總線接口實(shí)現(xiàn)方案有多種：(1)FPGA IPcore方案，可用各大FPGA公司提供的PCI總線接口IP核來完成。該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無需關(guān)心PCI總線協(xié)議，但需要購買使用許可，費(fèi)用較高。(2)在FPGA內(nèi)自己實(shí)現(xiàn)PCI協(xié)議及相應(yīng)邏輯功能[5],該方案電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，費(fèi)用較低，但開發(fā)難度較高，研發(fā)周期過長。(3)PCI橋芯片+FPGA架構(gòu)方案^[2-3,6]，該方案電路結(jié)構(gòu)較前兩者相對(duì)復(fù)雜一些，但因使用了橋芯片，無需太多關(guān)心PCI總線協(xié)議，研發(fā)周期快，且費(fèi)用較低。綜合以上因素，選取了第三種方案搭建硬件接口電路，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

        其中PCI橋芯片完成CPCI總線與本地端總線的協(xié)議轉(zhuǎn)換,在這里選擇了PLX Technology公司32 bit寬/33 MHz低成本PCI橋芯片PCI9054。FPGA主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的緩沖與轉(zhuǎn)發(fā),并對(duì)PCI9054進(jìn)行相應(yīng)的控制操作。當(dāng)外圍板卡即本地端用戶功能設(shè)備上傳數(shù)據(jù)時(shí)，F(xiàn)PGA通過內(nèi)部開設(shè)的緩沖區(qū)，將用戶端的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包發(fā)送給PCI9054，由PCI芯片轉(zhuǎn)換成CPCI總線協(xié)議數(shù)據(jù)上傳至主控板卡端。當(dāng)主控端發(fā)送控制指令時(shí)，F(xiàn)PGA同樣在獲得PCI芯片的本地總線數(shù)據(jù)后，發(fā)送至本地端用戶功能設(shè)備中。此外EEPOM與FPGA配置芯片分別完成上電時(shí)對(duì)PCI芯片以及FPGA的參數(shù)配置與初始化。

        PCI9054負(fù)責(zé)完成主控板與外圍板端FPGA之間的通信，其主要控制步驟如下：

        (1)主控板向外圍板發(fā)出讀寫請(qǐng)求時(shí),PCI9054向FPGA發(fā)出申請(qǐng)本地總線信號(hào)LHOLD(高有效)。

        (2) FPGA檢測(cè)到LHOLD有效后，若本地總線空閑，即對(duì)PCI9054回應(yīng)總線應(yīng)答信號(hào)LHOLDA(高有效)，表示申請(qǐng)本地總線有效。

        (3)PCI9054檢測(cè)到申請(qǐng)總線有效后,給出地址有效信號(hào)ADS(低有效)，同時(shí)給出讀寫的地址。

        (4)FPGA檢測(cè)到ADS后，根據(jù)PCI9054的讀寫控制信號(hào)LW/R(高為讀，低為寫)，進(jìn)行讀寫數(shù)據(jù)操作；并同時(shí)向PCI9054發(fā)送數(shù)據(jù)有效信號(hào)READY(低有效)。此時(shí)PCI橋芯片根據(jù)讀寫要求，將數(shù)據(jù)發(fā)送至FPGA或上傳至主控板。

        (5)當(dāng)傳輸最后一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，PCI9054 將BLAST指示信號(hào)置低(低有效)。FPGA隨即在下一個(gè)時(shí)鐘將READY信號(hào)拉高表示傳輸結(jié)束。

        (6)當(dāng)PCI9054檢測(cè)到READY為高電平時(shí)放棄本地總線，結(jié)束通信。

        在主控板卡與外圍板卡的數(shù)據(jù)傳輸過程中，F(xiàn)PGA開設(shè)有雙口RAM作為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，本地端功能設(shè)備和PCI芯片均可對(duì)其進(jìn)行讀寫操作。設(shè)計(jì)采用乒乓操作工作模式，避免兩者對(duì)同一地址同時(shí)讀寫的沖突。此外在硬件電路設(shè)計(jì)中，針對(duì)該雷達(dá)不同類型的外圍板卡所需緩沖數(shù)據(jù)塊大小的需求不盡相同的情況，通過選用同系列、同封裝、不同資源的FPGA芯片，統(tǒng)一考慮它們的電源、地以及I/O管腳的分布情況，綜合設(shè)計(jì)電路版圖，使得同一塊PCB板上可以根據(jù)不同需求焊接合適資源的FPGA芯片。該設(shè)計(jì)既有效降低了成本，又便于以后的維護(hù)與升級(jí)。

3 驅(qū)動(dòng)開發(fā)

3.1 WDM驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)介

        雷達(dá)系統(tǒng)的主控板卡采用Windows XP 操作系統(tǒng)。在該操作系統(tǒng)平臺(tái)上，應(yīng)用程序直接訪問硬件設(shè)備是受限制的，必須獲得可工作在Windows系統(tǒng)內(nèi)核下的驅(qū)動(dòng)程序的支持。綜合考慮選用WDM驅(qū)動(dòng)框架模式，完成了CPCI總線數(shù)據(jù)接口的驅(qū)動(dòng)開發(fā)。WDM模型驅(qū)動(dòng)是微軟公司為Windows系統(tǒng)下的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)提供的一種靈活、簡(jiǎn)化的驅(qū)動(dòng)模型，能有效降低所必需開發(fā)的驅(qū)動(dòng)程序的數(shù)量以及復(fù)雜性^[7]。

        在WDM驅(qū)動(dòng)下訪問硬件設(shè)備時(shí)，應(yīng)用程序通過調(diào)用Win32API函數(shù)產(chǎn)生控制命令，操作系統(tǒng)的I/O管理器將獲取的控制命令轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的IRP(I/O處理請(qǐng)求包)送給驅(qū)動(dòng)程序的入口點(diǎn)。IRP是Windows內(nèi)核中一種非常重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它包含了應(yīng)用程序發(fā)出控制命令的信息，不同的IRP會(huì)根據(jù)類型被分到驅(qū)動(dòng)的不同例程中進(jìn)行處理[8]。隨后驅(qū)動(dòng)程序通過硬件抽象層(HAL)調(diào)用來訪問硬件設(shè)備。當(dāng)IRP結(jié)束時(shí),驅(qū)動(dòng)調(diào)用IoCompleteRequest函數(shù)通知I/O管理器，并向I/O管理器返回相關(guān)參數(shù)及數(shù)據(jù)，應(yīng)用程序回讀數(shù)據(jù)，完成本次操作。圖3為應(yīng)用程序通過調(diào)用WDM驅(qū)動(dòng)程序與底層硬件進(jìn)行通信的整個(gè)過程(灰色部分為論文需設(shè)計(jì)研發(fā)的工作)。

3.2 WDM驅(qū)動(dòng)功能實(shí)現(xiàn)

        論文利用Driver Studio工具，調(diào)用其自帶的Driver wizard設(shè)置向?qū)蒞DM驅(qū)動(dòng)框架^[9]，并根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)的硬件設(shè)備情況添加相應(yīng)的代碼。驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的功能主要包括三個(gè)部分：硬件訪問、中斷處理與DMA傳輸。

3.2.1 硬件訪問

        硬件訪問是指對(duì)硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)基本的識(shí)別與訪問功能。WDM驅(qū)動(dòng)可以通過GUID接口方式或符號(hào)鏈接名方式來獲取有效的設(shè)備句柄，從而識(shí)別、打開或關(guān)閉設(shè)備。在前者方案中，每塊板卡需要生成對(duì)應(yīng)不同GUID標(biāo)識(shí)符的驅(qū)動(dòng)，打開設(shè)備比較繁瑣；對(duì)于后者，所有板卡通用一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序，只根據(jù)板卡在不同的插槽位置對(duì)應(yīng)不同的符號(hào)鏈接名打開設(shè)備。相比較而言獲取設(shè)備句柄更為簡(jiǎn)單。論文采用符號(hào)鏈接名方式實(shí)現(xiàn)設(shè)備的識(shí)別。

        對(duì)于硬件的訪問，在X86處理器中存在兩套獨(dú)立的地址空間：內(nèi)存地址和I/O地址。PCI橋芯片將本地端內(nèi)存單元通過映射的方式定位到這兩種獨(dú)立的地址空間。在驅(qū)動(dòng)程序中，可通過調(diào)用WDM驅(qū)動(dòng)框架提供的KIoRange類（對(duì)I/O映射空間的訪問）和KMemoryRange類（對(duì)內(nèi)存映射空間的訪問）來實(shí)現(xiàn)對(duì)映射的訪問。

        本文通過調(diào)用KIoRange類對(duì)I/O映射空間訪問，實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的操作。打開設(shè)備后，應(yīng)用程序可通過Win32的API函數(shù)DeviceIoControl向驅(qū)動(dòng)發(fā)起相應(yīng)的控制命令和參數(shù)。驅(qū)動(dòng)獲取命令及參數(shù)后通過KIoRange類的成員函數(shù)FORM.outd（ULONG ByteOffset，ULONG Data）對(duì)寄存器進(jìn)行操作。例如配置PCI9054的中斷寄存器：

        m_IoPortRange0.outd(INTCSR, mm_Data)；

INTCSR為定義的中斷寄存器，mm_Data為獲得的需要修改的中斷寄存器參數(shù)。

3.2.2 中斷處理

        系統(tǒng)主要存在兩類中斷需要處理：(1)數(shù)據(jù)采集板卡請(qǐng)求數(shù)據(jù)上傳時(shí)所生成的本地中斷；(2)PCI9054完成了DMA傳輸后產(chǎn)生的DMA中斷。WDM框架驅(qū)動(dòng)將中斷的處理封裝成類KInterrupt。進(jìn)入中斷服務(wù)例程前，通過調(diào)用KInterrupt的成員函數(shù)InitializeAndConnect初始化中斷變量和調(diào)用宏LinkTo鏈接到中斷例程(Isr_Irq)中。代碼如下：

        status = m_Irq.InitializeAndConnect(

              pResListTranslated, 

              LinkTo(Isr_Irq), 

              this);

        進(jìn)入中斷服務(wù)例程后，通過PCI9054的中斷寄存器進(jìn)行中斷類型判斷：若為本地中斷，則關(guān)閉本地中斷清除中斷標(biāo)志位,產(chǎn)生通知事件給應(yīng)用程序，通知主控板卡需進(jìn)行數(shù)據(jù)的DMA傳輸；如為DMA中斷，則表明DMA傳輸完成，需禁止該中斷并清除中斷標(biāo)志位，隨后啟動(dòng)延遲過程調(diào)用例程(DPC)進(jìn)行處理。其過程將在下節(jié)進(jìn)一步說明。中斷處理的流程圖如圖4所示。

        該雷達(dá)系統(tǒng)存在多塊外圍板卡同時(shí)掛在CPCI總線上的情況，它們共享一個(gè)中斷向量。面對(duì)多外圍板卡的中斷處理時(shí)，驅(qū)動(dòng)程序通過查詢各個(gè)設(shè)備的中斷寄存器狀態(tài)，判斷來自哪個(gè)設(shè)備的中斷，并以事件形式通知應(yīng)用程序，迅速對(duì)中斷事件進(jìn)行處理。

3.2.3 DMA傳輸

        雷達(dá)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集板卡上傳采集數(shù)據(jù)或主控板卡下發(fā)控制參數(shù)均可由DMA傳輸方式完成的，它們的工作原理基本相同。以上傳為例，數(shù)據(jù)采集板卡在本地端FPGA內(nèi)緩沖一定量的數(shù)據(jù)后，向主控板卡申請(qǐng)中斷。主控板接收到該中斷后發(fā)起總線操作，控制外圍板卡進(jìn)行DMA傳輸，DMA傳輸流程圖如圖5所示。

        進(jìn)入DMA傳輸流程時(shí)，驅(qū)動(dòng)程序通過控制DMA傳輸?shù)腒DmaTransfer類的成員函數(shù)Initiate()完成DMA的初始化工作。隨后系統(tǒng)進(jìn)入回調(diào)例程，若有數(shù)據(jù)需要傳輸，則配置PCI9054的DMA寄存器，并開始DMA傳輸。當(dāng)傳輸完成后，PCI9054產(chǎn)生DMA中斷，在驅(qū)動(dòng)程序的中斷服務(wù)例程中，啟動(dòng)DPC進(jìn)入DpcFor_Irq例程，在DpcFor_Irq內(nèi)通過調(diào)用KdmaTransfer類的成員函數(shù)Continue()進(jìn)入DMA的回調(diào)例程，再次檢測(cè)是否有待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。若所有數(shù)據(jù)傳輸完畢則完成DMA操作，結(jié)束IRP；否則進(jìn)入下一輪DMA，一直到數(shù)據(jù)傳輸完畢為止。

        本文對(duì)安裝有WDM框架驅(qū)動(dòng)的板卡進(jìn)行了測(cè)試。圖6為外圍板卡端FPGA抓取DMA傳輸?shù)谋镜乜偩€時(shí)序圖，表明主控板卡與外圍板卡的DMA傳輸工作正常。實(shí)驗(yàn)測(cè)試實(shí)際DMA傳輸速率約為35 MB/s，完全能夠滿足該雷達(dá)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

        本文針對(duì)某雷達(dá)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸與控制的要求，提出了一種基于CPCI總線的雷達(dá)接收機(jī)數(shù)據(jù)傳輸接口實(shí)現(xiàn)方案。在外圍板卡端，完成了基于FPGA+PCI橋芯片架構(gòu)的CPCI總線接口電路設(shè)計(jì)；在主控板卡端，進(jìn)行了基于WDM框架的驅(qū)動(dòng)程序開發(fā),實(shí)現(xiàn)了主控板對(duì)多塊外圍板的硬件訪問、中斷處理和DMA傳輸?shù)榷喾N功能。論文的測(cè)試結(jié)果表明主控板卡能夠有效完成與外圍板卡間的數(shù)據(jù)傳輸與控制，性能指標(biāo)符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

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