基于PCI?IP核的碼流接收卡的設(shè)計(jì)

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(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案及設(shè)計(jì)要點(diǎn)的分析。該設(shè)計(jì)采用Altera公司的新一代FPGA芯片EP1C12和PCI IP核以及高速串行數(shù)據(jù)通信接收芯片，實(shí)現(xiàn)DVB-ASI信號的接收。
關(guān)鍵詞：DVB；異步串行接口；PCI；IP核?

前言
??? 隨著數(shù)字化廣播電視技術(shù)的迅速發(fā)展和基于MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)的圖像壓縮和復(fù)用技術(shù)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(fù)用器的實(shí)現(xiàn)，使得通過PC接收DVB(數(shù)字視頻廣播)碼流已逐漸成為一項(xiàng)不可替代的多媒體數(shù)據(jù)接收技術(shù)。因此，設(shè)計(jì)基于PC平臺的DVB 碼流接收卡是數(shù)字廣播電視發(fā)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(shí)時(shí)性，因此本文選擇了PCI總線。33MHz、32位的PCI總線的數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)133MBps, 完全可以滿足高速實(shí)時(shí)傳輸?shù)男枨?。選擇了Altera公司的PCI編譯器軟件包來實(shí)現(xiàn)PCI接口控制電路。該軟件包為PCI接口提供了一個(gè)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(shù)生成所需的IP核模塊，以設(shè)計(jì)自己的外部設(shè)備接口邏輯。本文選擇了其生成的PCI_MT32功能模塊。

系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)
??? 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)要求：能將傳輸速率為270 Mbps的串行DVB—ASI碼流實(shí)時(shí)、無損地通過PCI接口傳輸?shù)絇C，以供PC上的應(yīng)用程序做進(jìn)一步處理。在操作和使用上要方便，在設(shè)計(jì)上要求結(jié)構(gòu)緊湊、接口簡單、性能可靠、易于升級。系統(tǒng)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(gè)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(jīng)同軸電纜進(jìn)入DVB碼流輸入模塊，轉(zhuǎn)換為8位并行輸出。核心控制模塊對并行數(shù)據(jù)進(jìn)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(jīng)BNC接頭輸入，經(jīng)過互感(用PE65508芯片)轉(zhuǎn)換為PECL(正向發(fā)射極耦合邏輯)差分電平信號，再經(jīng)過耦合電路，到達(dá)CY7B933的差分線輸入端。 CY7B933是Cypress公司的一種用于點(diǎn)對點(diǎn)高速串行數(shù)據(jù)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(jìn)行8B/10B解碼和串并轉(zhuǎn)換。最后輸出經(jīng)過字節(jié)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(guī)則中定義為 K28.5專用字符)，其輸出速率恒定為27MBps。

圖１ 系統(tǒng)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?；谡麄€(gè)系統(tǒng)的性能的考慮，選擇Altera公司的EP1C12。這款芯片有12060個(gè)邏輯單元，52個(gè)RAM塊等資源，完全可以支持本設(shè)計(jì)的要求。

??? FPGA控制電路內(nèi)部框圖如圖2所示，它是本設(shè)計(jì)的核心部分，對輸入的ASI信號保留有效的DVB傳輸流，發(fā)送到FIFO輸入端進(jìn)行緩存。并將FIFO緩存后輸出的數(shù)據(jù)用DMA傳輸方式通過PCI總線實(shí)現(xiàn)對PC內(nèi)存的存取，同時(shí)利用FIFO的標(biāo)志信號控制DMA傳輸過程。下面對FPGA控制電路的各模塊進(jìn)行介紹。

PCI_MT32功能模塊
??? 本文在選擇PCI接口芯片時(shí)，選擇了Altera公司的PCI 編譯器軟件包，它可以參數(shù)化地生成用于PCI接口的IP核----MegaCore。這個(gè)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(xié)議的轉(zhuǎn)換，將復(fù)雜的、電氣和時(shí)序要求高的PCI總線邏輯轉(zhuǎn)換為易于操作的本地接口邏輯，遵循PCI總線協(xié)議2.2版，經(jīng)過嚴(yán)格的工業(yè)級驗(yàn)證并支持多款優(yōu)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?？紤]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(gè)基址寄存器，可以映射6個(gè)存儲器或I/O 空間。在操作系統(tǒng)啟動前后，基址寄存器分別起到兩個(gè)作用。在操作系統(tǒng)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(tǒng)中有多少存儲器以及系統(tǒng)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(dǎo)系統(tǒng)。在操作系統(tǒng)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(nèi)部框圖

主控邏輯模塊
??? 當(dāng)PCI_MT32作為PCI總線主設(shè)備進(jìn)行主模式操作時(shí)，主控邏輯模塊對PCI_MT32本地側(cè)信號進(jìn)行控制以執(zhí)行PCI主模式寫事務(wù)，將FIFO的數(shù)據(jù)傳送給從設(shè)備。同時(shí)還為DMA引擎提供PCI總線所處的狀態(tài)，如總線是否處于數(shù)據(jù)階段，是否有從設(shè)備終止等。

??? 模塊的主要設(shè)計(jì)思路：當(dāng)PCI總線仲裁器允許PCI_MT32成為總線主設(shè)備時(shí)，PCI_MT32功能模塊在本地側(cè)輸出lm_adr_ackn信號，表明地址階段開始，此時(shí)主控邏輯模塊應(yīng)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(shù)據(jù)階段，如果本地側(cè)數(shù)據(jù)已準(zhǔn)備好，就使lm_rdyn(本地側(cè)主設(shè)備準(zhǔn)備好)信號有效，并在l_adi線提供數(shù)據(jù)，在l_cbeni線提供字節(jié)使能。如果從設(shè)備被選中且準(zhǔn)備好，數(shù)據(jù)傳輸就開始了。最后，通過通知PCI總線當(dāng)前周期是本地側(cè)最后的數(shù)據(jù)階段，在完成這次數(shù)據(jù)傳輸后就進(jìn)入總線空閑狀態(tài)，PCI_MT32不再是總線主設(shè)備，一次數(shù)據(jù)傳輸也就結(jié)束了。

從控邏輯模塊
??? 當(dāng)PCI_MT32作為PCI總線從設(shè)備進(jìn)行目標(biāo)事務(wù)操作時(shí)，從控邏輯模塊對PCI_MT32本地側(cè)信號進(jìn)行控制。PC通過讀本地側(cè)相應(yīng)寄存器，了解當(dāng)前狀態(tài)，通過對相應(yīng)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(biāo)單周期事務(wù)，且大部分信號由主機(jī)控制，從控邏輯相對簡單。主要是保證在要存取的目標(biāo)地址命中，且frame信號有效時(shí)，trdyn(從設(shè)備準(zhǔn)備好)信號有效。

圖3? DMA狀態(tài)機(jī)流程圖

DMA引擎模塊
??? DMA引擎模塊由DMA寄存器、DMA狀態(tài)機(jī)等模塊構(gòu)成，當(dāng)PCI_MT32作為PCI總線主設(shè)備進(jìn)行主模式寫操作時(shí)，它與主控邏輯模塊共同將FIFO緩存輸出的數(shù)據(jù)通過DMA操作發(fā)送到PCI_MT32本地信號側(cè)。 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(jī)通過訪問這些寄存器來控制DMA操作。寄存器包括控制狀態(tài)寄存器、PCI地址寄存器和中斷狀態(tài)寄存器。DMA狀態(tài)機(jī)模塊流程如圖3所示。

??? 以下對DMA狀態(tài)機(jī)進(jìn)行簡要描述：狀態(tài)機(jī)無數(shù)據(jù)傳輸時(shí)默認(rèn)停留在空閑狀態(tài)。當(dāng)PC寫控制狀態(tài)寄存器中的啟動位，就啟動狀態(tài)機(jī)，進(jìn)入裝載寄存器狀態(tài)。自動裝載PCI地址寄存器后進(jìn)入等待請求狀態(tài)。如果FIFO中的數(shù)據(jù)已經(jīng)半滿，進(jìn)入請求狀態(tài)申請占用PCI總線，接著進(jìn)入等待允許狀態(tài)，等待PCI設(shè)備獲得總線的控制權(quán)。當(dāng)PCI設(shè)備成為總線主設(shè)備，就進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)。判斷PCI總線的地址階段結(jié)束將要進(jìn)入數(shù)據(jù)階段，則進(jìn)入傳輸狀態(tài)，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。此時(shí)，如果從設(shè)備提出終止，則返回寄存器有效狀態(tài)，根據(jù)情況重新申請總線的控制權(quán)；如果本次DMA數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束或出現(xiàn)PCI異常中斷、PCI系統(tǒng)錯(cuò)誤、PCI奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤、FIFO滿等錯(cuò)誤時(shí)，則分別進(jìn)入結(jié)束狀態(tài)或錯(cuò)誤狀態(tài)，寫中斷狀態(tài)寄存器的相應(yīng)位，同時(shí)發(fā)出中斷信號。PC收到中斷后，讀中斷狀態(tài)寄存器確定中斷類型，以進(jìn)行下一步操作。最后返回空閑狀態(tài)，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(jù)CY7B933輸出的狀態(tài)信號，刪除同步字K28.5，只將有效的數(shù)據(jù)讀入，并將數(shù)據(jù)送入異步FIFO緩存。當(dāng)FIFO空、半滿、滿時(shí)，對相應(yīng)寄存器進(jìn)行操作或通知DMA引擎模塊，以防止數(shù)據(jù)的溢出或空讀。

??? 異步FIFO在核心控制模塊中，主要起到兩個(gè)作用。一是數(shù)據(jù)緩存，在系統(tǒng)進(jìn)行DMA操作，將數(shù)據(jù)從ASI接口寫入PC內(nèi)存時(shí)，DVB-ASI數(shù)據(jù)仍在源源不斷地輸入系統(tǒng)，F(xiàn)IFO可以將這些數(shù)據(jù)緩存，以防止數(shù)據(jù)丟失。二是時(shí)鐘隔離作用，輸入的ASI信號時(shí)鐘是27MHz，而PCI時(shí)鐘達(dá)到33MHz，這就要求對兩個(gè)頻率不同的時(shí)鐘進(jìn)行同步，異步FIFO的數(shù)據(jù)輸入和輸出分別使用不同的時(shí)鐘，從而實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘的隔離和無縫拼接。由于本設(shè)計(jì)對FIFO容量的要求較大，因此不采用Megafunction技術(shù)構(gòu)造，而使用專門的高速FIFO芯片。

設(shè)計(jì)結(jié)果
??? 在Quartus－II中進(jìn)行了vhdl源程序仿真。圖4是用DMA方式進(jìn)行PCI傳輸結(jié)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(yīng)的DMA寄存器進(jìn)行操作后，啟動DMA引擎，圖中①處PCI_MT32通過拉低reqn信號發(fā)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(shè)備。③處進(jìn)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(gè)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)和字節(jié)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(shù)據(jù)，可見,輸出數(shù)據(jù)與ASI_D輸入的數(shù)據(jù)相同。由于DMA傳輸長度的關(guān)系，本圖最后通過模擬從設(shè)備斷開(圖中⑤處)，終止了這次傳輸。由于DMA傳輸沒有結(jié)束，在終止后，DMA狀態(tài)機(jī)根據(jù)判斷狀態(tài)，還會自動繼續(xù)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(shí)序的要求。實(shí)現(xiàn)了將ASI信號通過PCI總線與PC進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康?。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(shí)現(xiàn)8路ASI信號的接收。

結(jié)語
??? 本系統(tǒng)采用FPGA加PCI IP核的模式實(shí)現(xiàn)對高速、大容量DVB傳輸流的實(shí)時(shí)傳輸，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)。選擇PCI總線可以保證在足夠的帶寬下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。FPGA的應(yīng)用易于在線升級電路，擴(kuò)充平臺的功能。IP核的使用使硬件電路更為簡潔、可靠。經(jīng)過驗(yàn)證，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以很好地實(shí)現(xiàn)DVB-ASI信號的接收功能，同時(shí)，也可以作為其它DVB-ASI應(yīng)用的基礎(chǔ)平臺，有著良好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：
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2 李貴山，戚德虎． PCI局部總線開發(fā)者指南[M]．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1997
3 紀(jì)獻(xiàn)永，黃皆雨等.? DVB-ASI信號接收與發(fā)送系統(tǒng)的研究. 北京：電視技術(shù)，2004(11): 87-88