基于FPGA的LBS控制器设计

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0 引言

PLX的一款桥芯片PEX8311可将标准处理器、DSP和FPGA总线接口升级为PCI Express(PCIe)。PEX8311单道PCIe至32位、66 MHz通用局部总线桥可在两种标准间转换协议，它可用于通讯线路卡、监视系统、工业控制、IP媒体服务器和医疗成像系统，以实现可升级的高带宽互联。采用根联合体或终端点的PCI嵌入式系统设计可采用PEX8311桥芯片移植到PCIe。本文就是基于PEX8311和FPGA来实现PCIe标准1x传输。
1 系统介绍

FPGA和PEX8311之间通过LBS(LocalBus)来连接、发送和接收命令及数据，其中FPGA主要控制LBS的运行，本文通过设计一个高效、可靠的LBS控制器来实现FPGA和PEX8311的通信。如图1所示。

本系统的控制的核心是LBS控制器，该控制器是通过FPGA采用VerilogHDL实现的，其优点是稳定性强、不会造成死机，避免了常规的PC I，PCIe板卡类经常死机的问题，其次是传输速率高，充分利用LBS的时序，减少无用的等待时间。

FPGA采用Altera公司的Cyclone3系列的3C120款FPGA芯片。Cyclone3是功耗最低、成本最低的高性能FPGA产品，鉴于上述特点本设计采用它来实现PCIe的传输功能。

PEX8311是PLX公司的一款x1的PCI Express接口芯片，本地端总线频率最高可达66 MHz，数据位宽为32 b。PEX8311有主模式、从模式和DMA三种数据传输模式，可灵活、方便地与各CPU，FPGA和ASIC无缝连接，实现高速传输。
2 LBS控制器设计

2．1 控制信号介绍

Hold信号：请求控制总线的信号，FPGA向PEX8311发出控制总线的请求。
Holda信号：PEX8311响应FPGA请求的信号。
LCLK信号：时钟输入信号。
ADS信号：地址选通信号。
BLAST信号：最后一个数据的同步信号。
LA[31：2]信号：地址线。
LD[31：0]信号：数据线。
LW／R信号：读写控制。
Ready信号：数据有效信号。

2．2 LBS总线读写操作时序介绍

LBS总线操作有单次读写和Burst读写方式，本设计中采用单次读写设计用来传输FPGA内部的寄存器读写控制，这些寄存器是用于配置各逻辑模块的功能控制，通过CPU或软件来实时控制；Burst读写方式主要用于大批量数据传输，本文中主要是传输高速的DDR数据，利用Burst传输方式可以实现高速自动大容量数据传输，充分利用LBS的传输带宽，提高传输效率。

2．3 PEX8311芯片介绍

PEX8311芯片的LBS端具有32位数据总线宽度和66 MHz时钟频率，PEX8311支持三种LBS总线接口模式：C模式，J模式和M模式，可方便地与多种微处理器连接。接口模式由MODE0和MODE1两管脚确定。本设计采用时序逻辑相对简单的C模式，即非复用的地址／数据总线模式。PEX8 311支持三种局部总线数据传输模式：单周期模式、四周期突发模式、连续突发模式。

DMA传输数据使传输任务从主控设备中解脱出来，由短且有效的传输描述符来承担，让主控设备可以有时间去处理其他事件。PEX8311有两个DMA通道，可以同时处理两侧总线上要求的传输，免去外部设备的等待。另外，DMA传输可以与主模式和从模式传输同步操作，但后两者比DMA传输优先级高。考虑到DMA传输有以上优点，本设计中PCI Express接口部分采用连续突发模式DMA块传输模式，LBS总线接口采用C模式。

2．4 LBS状态机设计
LBS共设计有4个状态：IDLE，START，DO，BUSY。其状态转移图如图2所示。

IDLE：空闲状态。

START：当ADS地址选通有效时进入此状态，进行地址空间判断。

DO：当地址空间有效，并且传输条件满足时进入传输状态，每个时钟判断条件，当条件满足时继续该状态，当条件不满足时，进入BUSY等待状态，传输结束(BLAST有效)进入IDLE状态。

BUSY：当数据没准备好时，在BUSY状态等待，当数据准备好后进入DO状态，当超时后进入IDLE状态，实时退出。

2．5 LBS状态机工作流程

FPGA作为LBS的逻辑控制器，负责协调好与DDR_FIFO数据和PEX8311之间的时序关系。系统接收数据时，首先由驱动程序向PEX8311发送复位信号，通过LRESET复位LBS本地端的FPGA，清空FPGA内部DDR_FIFO内部数据，并将HF和FF标志置为无效，然后等待数据的输入。FPGA读入DDR数据后，首先将DDR数据写入DDR_FIFO中，当DDR_FIFO中的数据达到半满状态时，HF标志位有效，通过FPGA向PEX8311发出DMA中断请求。PC机响应中断后，设置DMA传输模式，传输字节数及地址信号等。PEX8311通过LHOLD申请控制本地总线，此时FPGA发出的LHOLDA响应信号后获得本地总线的控制权，并立即进入连续字节突发模式的Block DMA周期即由IDLE状态到START状态。FPGA在收到有效的LW／R读信号和ADS地址选通信号后，进入DO状态，同时发出Ready本地准备好应答信号，使能DDR_FIFO的读允许REN和输出允许OE。在传输最后一个数据时，PEX8311发出BLAST信号，FPGA配置DDR_FIFO读使能和输出使能无效，并取消Ready从而结束DMA周期。PC系统发送数据时，FPGA将计算机通过PCIe传过来的LBS数据写入PC_FIFO中，再输出写入到DDR中。

2．6 LBS状态机核心编码设计

按照上述4个状态进行Verilog设计，经过仿真和上板调试，效果很好，下面是状态机设计程序，仿真时序图如图3，图4所示。


3 结语

本文设计的LBS控制器应用在PEX8311和FPGA接口中运行状态正常，稳定性强，已成功应用于某视频采集卡、某PCIe数据采集卡，经过实践证明，基于FPGA设计的LBS控制器具有灵活性强、可编程能力强、适应性强等优点，能迅速缩短产品上市时间、快速响应客户需求，满足市场需要。