基于CPLD技术和PCI总线技术实现数据接收和存储系统的设计

前言

目前卫星技术已广泛应用于国民生产的各个方面。通讯卫星，气象卫星以及遥感卫星，科学探测卫星等与人们的生活密切相关。卫星所收集的大量数据资料能否及时准确地下传、接收和存储是卫星技术的一个重要方面。其传送过程如图1所示。

从卫星上高速下传的数据由地面卫星接收站转发为基带信号，通过光缆传送至数据中心，速度可达上百兆波特率，要求系统正确接收，经过同步和预处理，然后存入计算机系统，供数据中心使用。其特点是：数据下传速度高，数据量大，持续时间长，并且要求具有差错控制功能。而本文介绍了为了满足此要求而设计的数据接收和存储系统。

系统设计

数据接收和存储系统主要包括数据接收和预处理，数据传送，数据存储等部分。本文主要介绍CPLD，PCI总线结构，总线控制器PCI9054。其系统组成如图2所示。

基带串行信号由复杂可编程逻辑器件（CPLD）进行串并转换，变为8位数据信号后根据编码方式找到同步帧，并进行预处理，然后传到先入先出存储器FIFO， 在逻辑控制下将数据送入PCI总线控制器PCI9054，由9054采用DMA突发方式传输至内存，再存储到RAID磁盘阵列。

采用复杂可编程逻辑器件（CPLD）可大大减少复杂的控制，通过VHDL语言即可灵活设置控制逻辑。而且随着超大规模集成电路的发展，可编程逻辑器件的发展非常迅速，现已达到数十万门，速度《1ns（管脚之间）。由于高速电路设计中的干扰问题非常严重，因此要尽可能地减少线路设计，所以采用CPLD不仅可满足系统要求的复杂的逻辑关系，而且可大大减少布线干扰，调试和更改也非常方便，是今后逻辑控制的发展方向。在本系统中，CPLD不仅实现串并转换和同步的功能，同时还用以实现数据进入FIFO以及由FIFO传入PCI9054的传输控制逻辑，中断逻辑以及主机对数据传输通道的前端控制。

在总线结构上，由于数据传输速度高，以往的ISA总线不能满足要求（ISA总线最大传输速度5MB/S），必须采用更快的PCI总线结构。PCI总线协议是Intel公司1992年提出的，为满足高速数据输入/输出要求而设计的一种低成本，高性能的局部总线协议。它是一种独立于处理器的总线结构，具有32位或64位的复用的数据地址总线，总线上的设备可以以系统总线的速度在相互之间进行数据传输，或直接访问系统内存，可以达到132MB/s的数据传输速率（64位则性能加倍）。采用PCI接口的设备必须满足PCI接口规范V2.2标准。

PCI 总线结构具有非常明显的优点，但其总线规范十分复杂，要求非常严格的时序关系，接口的设计难度较大。因此，为了减少PCI总线在实际应用中的复杂性，许多公司设计出了专门针对PCI总线接口的控制芯片。PCI9054就是其中比较先进的一种。PCI9054是PLX公司推出的一种33M， 32位PCI接口控制器，可同时支持3.3V和5V两种信号环境，并且具有电源管理功能。其结构框图如图3所示。

它提供了三种物理总线接口：PCI总线接口，LOCAL总线接口，及串行EPROM接口。

LOCAL总线的数据宽度为32位，时钟频率可达到50MHZ， 并且支持数据预取功能。 9054的LOCAL总线与PCI总线之间数据传输有三种方式：主模式（Direct Master），从模式（Direct Slave），DMA方式。其内部具有两个DMA数据通道，双向数据通路上各有6个FIFO进行数据缓冲，可同时进行高速的数据接收和发送。8个32位Maibox寄存器可为双向数据通路提供消息传送。9054还有2个32位Doorbell寄存器，用来在PCI和Local总线上产生中断。

用户通过设置其内部寄存器，即可完成各种控制功能。9054内部寄存器的配置信息可以写在一片串行EPROM中，在加电时9054自动加载串行EPROM配置信息，并由PCIBIOS通过PCI总线对配置寄存器读写。9054可方便地与各种存储设备相连接，在本设计中，它与FIFO及EPROM的设计接口如图4所示。在本系统中，数据传输是单方向的，因此只设计PCI9504从FIFO中读数据的情况，只用到与读FIFO有关的信号，如REN，RCLK等。其中的CPLD逻辑关系如下：

REN平时为高电平（无效电平），当ADS#为低（有效），BLAST为高（无效），LW/R为低（有效）时，表明9054开始了一个有效的读数据周期，CPLD产生一个低电平信号REN（有效电平）给FIFO，同时作为Ready信号返回给9054，通知9054设备已准备就绪。此信号持续到ADS#为高（无效）且BLAST为低（有效）时，表明9054已经开始最后一个周期，此时REN信号再次变高电平（无效）。

OE信号与REN信号可同样设置，在读信号允许的同时使能FIFO芯片。

本设计中采用了PCI9054的DMA工作方式，在此方式下，9054作为PCI总线的主设备，同时也是Local总线的控制者，通过设置其DMA控制器内部的寄存器即可实现两总线之间的数据传送。表1显示了与DMA传输相关的寄存器在PCI总线上的地址分配：

PCI9054的DMA传输过程可由以下几个步骤实现：

1．设置方式寄存器：设置DMA通道的传输方式，寄存器DMAMODE0或者DMAMODE1的位9:0-表示块传输，1-表示散/聚传输；

2．设置PCI地址寄存器：设置PCI总线侧的地址空间。

3．设置LOCAL地址寄存器：设置LOCAL总线侧的地址空间。

4．设置传输计数寄存器：以字节位单位设置传输数据量。

5．设置描述寄存器：设置DMA传输的方向；在散/聚方式下，位0表示传输参数的加载地址，0-PCI地址，1-Local地址； 位1表示传输链结束，0-未结束，1-结束；位2设置当前块传输结束后中断；位3指示DMA的传输方向，0-从PCI总线到Local总线，1-从Local总线到PCI总线；高28位［31:4］表示传输参数表的地址指针。

6．设置命令/状态寄存器：启动或停止DMA操作，并读此寄存器返回DMA状态 。

通过PCI9054的DMA传输方式，高速数据可以较容易地实现从PCI接口板上传入计算机，不必考虑PCI总线接口的实现，从而大大简化了设计中的复杂度，加快了设计周期。

结语

随着数字技术的发展，要求的数据传输速率将会越来越高，CPLD技术和PCI总线将会越来越多地应用在数据传输的设计中，PCI9054总线控制器有着较高的性能/价格比，将来的应用将会更加广泛。

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