近年來軟件無線電（SDR）得到了飛速的發展，在很多領域已顯示出其優越性。本文的項目背景是通過軟件無線電方式實現數字音頻廣播（DAB）的基帶信號處理，這要求軟件無線電平臺具有高速實時數字信號處理與傳輸能力。高速可編程邏輯器件（FPGA）和豐富的IP核提供了能高效實現軟件無線電技術的理想平臺。

1 PCIE總線方案論證

PCIE是第3代I/O總線互聯技術，如今已成為個人電腦和工業設備中主要的標準互聯總線。與傳統的并行PCI總線相比，PCIE采用串行總線點對點連接，具有更高的傳輸速率和可擴展性。例如本文采用的8通道1代PCIE 2.0硬核的理論傳輸速率是4 GB/s[1]，其總線位寬亦可根據需求選擇×1、×2、×4和×8通道。與其他的串行接口（如RapidIO和Hypertransport）相比，PCIE具有更好的性能和更高的靈活性[2]。

1.1 PCIE總線實現方式

目前，PCI Express總線的實現方式主要有兩種：基于專用接口芯片ASIC和基于IP核的可編程邏輯器件FPGA方案。前者通常采用ASIC+FPGA/DSP的組合方式，專用PCIE接口芯片（如PEX8311）避免用戶過多地接觸PCIE協議，降低了開發難度；但其硬件電路設計復雜，功能固定，靈活性和可擴展性較差。后者使用IP核實現PCIE協議，用戶可以開發其所需的功能和驅動，具有可編程性和可重配置能力；另外,單片FPGA降低了成本和電路復雜程度，更符合片上系統（SoC）的設計思想。本文采用Xilinx公司Virtex6 FPGA和PCIE集成塊，實現雙緩沖模式的高速PCIE接口設計。

1.2 雙緩沖與單緩沖比較
以寫操作（數據從FPGA到內存）為例，雙緩沖PCIE系統框圖如圖1所示。為描述方便，將該FPGA片上系統命名為SRSE(Software Radio System with PCI Express)。

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圖1 雙緩沖PCIE系統框圖

PC端的驅動程序在系統內存上為SRSE分配了兩個緩沖區（WR_BUF1/2）用于數據存儲，這兩個緩沖區的地址信息分別存儲在FPGA端的DMA寄存器（DAM_Reg1/2）中。Root Complex連接CPU、內存和PCIE器件，它代表CPU產生傳輸請求[3]；PCIE核是Xilinx公司提供的集成塊程序，實現PCIE協議的處理；DMA（直接存儲器訪問）引擎用于實現DSP核和PCIE器件間的高速數據存儲與交換；DSP（數字信號處理）核是用戶設計的算法或應用程序。以圖1為例，DSP核將產生的數據寫入TX_FIFO，DMA引擎將數據以傳輸層數據包（TLP）的形式發送至PCIE核，其中數據包的頭信息來自寄存器DMA_Reg1。當SRSE將數據寫入緩沖區WR_BUF1時，驅動分配另外一塊緩沖區WR_BUF2并將該緩沖區的地址信息寫入寄存器DMA_Reg2中；當DMA引擎發出WR_BUF1的寫操作消息中斷（MSI）后，DMA控制器將數據包的頭信息切換至DMA_Reg2，驅動將緩沖區切換至WR_BUF2，繼續傳輸數據。

圖2 PCIE總線中斷延遲測量

與雙緩沖相對應的是單緩沖模式。以寫操作為例，驅動程序每次在內存上分配一個緩沖區WR_BUF，該緩沖區的地址信息存儲在DMA寄存器DMA_Reg中。當寫滿緩沖區WR_BUF時，DMA引擎會產生MSI中斷，并通過PCIE核通知驅動程序。驅動分配新的緩沖區，并將該緩沖區地址通過PCIE總線寫入DMA寄存器DMA_Reg中。中斷的傳輸和DMA寄存器的更新會產生一定延時，這需要較大的TX_FIFO來存取延時期間DSP核產生的數據。

為精確測量中斷延時時間，搭建了基于DELL T3400型PC和ML605開發套件的平臺，通過ChipScope觀察的波形結果如圖2所示。DMA中斷發生在時刻0（mwr_done:0﹥1）；然后PCIE核向驅動發出MSI中斷，驅動程序查詢中斷寄存器發生在時刻2241（irq_wr_accessed:1﹥0）；驅動程序分配新的內存緩沖區，然后更新DMA寄存器發生在時刻2802（wr_dma_buff0_rdy:0﹥1）。在這2802個時鐘周期內，PCIE器件無法將數據寫入內存。PCIE的時鐘頻率為250 MHz，所以中斷延時T=2802×（1/250 MHz）=11.2 μs。假定DSP核產生數據的速率為200 MB/s，中斷延時期間將產生11.2 μs×200 MB/s=2241 B大小的數據。考慮到其他不可預測因素，如中斷堵塞等，為了不丟失數據，TX_FIFO至少需要幾KB的空間。這對于FPGA內寶貴的硬件資源（如Block RAM）來說是嚴峻的挑戰。

與單緩沖模式相比，雙緩沖模式優點歸納如下：
① 更新緩沖區不會引入中斷延時，這意味著較小的FIFO即可滿足需求，節約了硬件資源。
② 雙緩沖模式延長了驅動程序處理中斷的時間，也使緩沖區數據的處理更加容易，丟包率大大減小。
③ 數據的傳輸和內存緩沖區的數據處理可以并行處理，系統的實時性得到保證。
④ 雙緩沖更適合Scatter/Gather DMA，取代block DMA，從而提高內存效率。

2 軟件無線電平臺設計

軟件無線電基于可編程、可重構的通用硬件平臺，通過加載不同的軟件實現不同的無線電功能，廣泛應用于軍用和民用領域。為了能夠實現復雜的算法，其平臺需要具備高速數據交換和實時信號處理的能力。該設計參考Xilinx ML605開發套件，基于Xilinx Virtex6 LX240T FPGA芯片，通過增加相應的模塊搭建通用的軟件無線電平臺。

軟件無線電原理框圖如圖3所示。信號獲取模塊采用兩片ADC和DAC以實現IQ兩路信號的數模轉換；通信模塊由以太網和USBRS232接口組成；擴展卡可以是射頻發射機或接收機，通過擴展卡接口與母板相連；JTAG接口提供在線編程和內部測試功能；存儲器件包括512 MB DDR3內存和128 MB平臺Flash，分別用于動態數據存儲和配置FPGA；人機接口由LED/LCD、按鍵和開關等元件組成，實現人機對話；200 MHz有源晶振和SMA時鐘接口組成時鐘輸入模塊，向FPGA提供時鐘基準；8通道PCIE接口和IP核實現平臺與PC間高速數據交換。

圖3 軟件無線電原理框圖

3 雙緩沖模式PCIE總線設計

3.1 PCIE驅動設計

PC端基于Linux（Ubuntu 10.10）操作系統。該操作系統免費開源，安全穩定靈活，適合低成本軟件開發。驅動程序包含數據流接口和控制接口。數據流接口用于Linux用戶空間和SRSE平臺間高速的數據交換；控制接口使用戶可以觀察和配置SRSE平臺寄存器，例如通過控制接口，用戶可以在PC端改變SRSE平臺的調諧頻率等參數。數據流接口是雙向獨立的，支持雙/單工，即可以同時讀和寫數據。以數據發送（從PC到SRSE）為例，用戶空間調用write()函數將任意數量的數據發送至驅動，驅動整理數據碎片以滿足PCIE對數據對齊和傳輸塊數據量的要求。當數據滿足4096字節，驅動將數據塊發送至Root Complex并保留已發送數據的列表，等待接收來自SRSE平臺的寫操作中斷。PCIE驅動數據接收的原理如圖4所示。當用戶空間調用read()函數或者驅動接收到來自PCIE設備的數據時，驅動初始化讀操作。驅動程序將保持阻塞（blocking），直到用戶空間調用read()函數，并且已接收到足夠的數據包，從而能夠填滿read()請求的數據量。碎片整理模塊對已接收的數據進行整理，然后將數據塊返回至用戶空間，并通知其解除驅動阻止。

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圖4 PCIE驅動中的數據接收

3.2 PCIE核配置

Virtex6 PCIE Endpoint Block[4]集成了傳輸層（TL）、數據鏈路層（DLL）和物理層（PL）協議，它完全符合PCIE基本規范，可配置性增加了設計的靈活性，降低了成本。其功能框圖與接口如圖5所示。其中收發器通過PCIE總線與Root Complex實現數據包的傳遞，PCIE總線由系統接口和PCIE接口組成；系統接口由復位和時鐘信號組成，PCIE接口由8條差分傳輸和接收對組成（8lane）。TX/RX Block RAM用來存儲來自DMA引擎和系統內存的數據，其大小可以通過Xilinx Core Generator配置。傳輸接口為用戶提供了產生和接收TLP的機制；物理層接口使用戶能夠觀測和控制鏈路的狀態；配置接口使用戶能夠觀察和配置PCIE終端的配置空間，即DMA寄存器；中斷接口實現DMA與PCIE核之間的中斷傳輸。用戶通過這些接口設計符合其需要的DMA引擎。

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圖5 PCIE功能框圖與接口

本文使用Xilinx CORE Generator生成PCIE核，其主要配置參數如表1所列。

表1 PCIE核主要配置參數

3.3 總線主控DMA傳輸

參考Xilinx應用實例XAPP1052[5],本文設計的DMA結構框圖如圖6所示，各部分功能介紹如下：

① 發射引擎。發射引擎產生傳輸層數據包（TLP）并通過傳輸接口發送至PCIE核，數據包的數據來自TX_FIFO，頭信息來自DMA控制/狀態寄存器，也負責驅動對DMA寄存器的讀取。

② 接收引擎。接收引擎將來自上位機的數據包解碼并轉存至RX_FIFO中，也接收來自驅動的配置信息并將寄存器值寫入DMA控制/狀態寄存器中。

③ DMA控制/狀態寄存器。該模塊是DMA的主控制器，控制著DMA復位、讀寫等操作；內存緩沖區的地址信息和TLP包長度等信息也存儲在該寄存器中。

④ MSI中斷控制器。該模塊產生讀寫中斷，然后通過中斷接口通知PCIE核，進而通知驅動程序。

⑤ TX/RX_FIFO。通過Xilinx Core Generator將FIFO配置為獨立時鐘異步模式，實現不同時鐘域的數據緩沖和位寬轉換。本文PCIE時鐘為250 MHz、位寬64位，而DSP核時鐘為200 MHz、位寬32位。

⑥ PCIE核。該模塊為例化的PCIE集成塊，框圖和參數詳見圖5和表1。

⑦ DSP核。該模塊為用戶設計的算法或者功能模塊，例如通過Simulink調用Xilinx庫實現某種功能。

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圖6 DMA結構框圖

3.4 雙緩沖PCIE協議

以寫操作為例，雙緩沖PCIE協議如圖7所示。初始化時，驅動程序在內存中分配兩塊緩沖區Buff 1a/2a，然后將Buff 1a的地址信息寫入DMA控制/狀態寄存器DMA_Reg1（圖1）中并開始寫操作；DMA引擎將FIFO中的數據以數據包的形式通過PCIE總線發送至緩沖區Buff 1a中，期間驅動程序將Buff 2a的地址信息發送至DMA控制/狀態寄存器DMA_Reg2中；當Buff 1a寫操作完成時，MSI中斷控制器產生MSI中斷并通知驅動，此時驅動和DMA控制器同時切換緩沖區，即驅動將緩沖區切換至Buff 2a，DMA控制器將TLP頭信息切換至DMA_Reg2，如此繼續傳輸數據。

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圖7 雙緩沖PCIE操作協議（寫操作）

將MSI中斷與新緩沖區配置間的時間間隔稱為中斷延時，如圖2和圖7所示。雙緩沖模式的引入消除了中斷延時的影響，使SRSE在中斷延時期間仍能傳輸數據，節約了硬件資源，驅動程序也有更多時間來處理緩沖區的數據。

4 PCIE調試與性能

參考文獻[4]提供了Root Port的Test Bench，它可以模擬PC和驅動程序，如初始化DMA引擎、產生下行數據流并發送至PCIE設備，也可以接收來自PCIE設備的上行數據流等，使整個系統（PCIE核+DMA引擎+DSP核）可以在Modelsim SE環境下仿真。這大大縮短了開發周期，提高了開發效率。功能仿真通過后，使用Xilinx ISE 軟件完成代碼的輸入、綜合、實現、驗證和下載。

硬件平臺為DELL T3400型PC和Xilinx ML605開發套件。PC端基于Ubuntu 10.10操作系統運行驅動程序，FPGA端DSP核（圖6）通過Matlab Simulink調用Xilinx元件庫實現。本文DSP核由32位計數器和加法器組成：計數器將值寫入TX_FIFO，PC端檢測接收數據以驗證寫操作（SRSE→PC）；同樣地，PC端產生+1計數值并將數據寫入RX_FIFO，DSP核的加法器用來驗證讀操作（PC→SRSE）。

結語
本文設計了基于Xilinx Virtex6 FPGA的通用軟件無線電平臺，利用C語言開發了基于Linux系統的驅動程序，利用Verilog語言設計基于Xilinx PCIE硬核的雙緩沖DMA控制器。雙緩沖消除了中斷延時的影響，節約了硬件資源，提高了數據傳輸速度。

參考文獻
[1] Xilinx Inc. Understanding Performance of PCI Express Systems,2008.
[2] C Sauer, M Gries, J I Gomez, et al. Developing a Flexible Interface for RapidIO, Hypertransport, and PCIExpress [C]//IEEE International Conference on Parallel Computing in Electrical Engineering, January 2004.
[3] R Budruk, D Anderson, T Shanley. PCI Express System Architecture [M]. London: Pearson Education, 2003.
[4] Xilinx Inc. Virtex6 FPGA Integrated Block for PCI Express User Guide,2010.
[5] Xilinx Inc. Bus Master DMA Performance Demonstration Reference Design for the Xilinx Endpoint PCI Express Solutions,2009.