导言
近年来软件无线电（SDR）得到了飞速的开展，在许多范畴已显示出其优越性。本文的项目布景是经过软件无线电方法完结数字音频播送（DAB）的基带信号处理，这要求软件无线电渠道具有高速实时数字信号处理与传输才能。高速可编程逻辑器材（FPGA）和丰厚的IP核供给了能高效完结软件无线电技能的抱负渠道。
1 PCIE总线计划证明
PCIE是第3代I/O总线互联技能，现在已成为个人电脑和工业设备中首要的标准互联总线。与传统的并行PCI总线比较，PCIE选用串行总线点对点衔接，具有更高的传输速率和可扩展性。例如本文选用的8通道1代PCIE 2.0硬核的理论传输速率是4 GB/s［1］，其总线位宽亦可依据需求挑选×1、×2、×4和×8通道。与其他的串行接口（如RapidIO和Hypertransport）比较，PCIE具有更好的功用和更高的灵敏性［2］。
1.1 PCIE总线完结方法
现在，PCI Express总线的完结方法首要有两种：根据专用接口芯片ASIC和根据IP核的可编程逻辑器材FPGA计划。前者一般选用ASIC+FPGA/DSP的组合方法，专用PCIE接口芯片（如PEX8311）防止用户过多地触摸PCIE协议，降低了开发难度；但其硬件电路规划杂乱，功用固定，灵敏性和可扩展性较差。后者运用IP核完结PCIE协议，用户能够开发其所需的功用和驱动，具有可编程性和可重装备才能；别的，单片FPGA降低了本钱和电路杂乱程度，更契合片上体系（SoC）的规划思维。本文选用Xilinx公司Virtex6 FPGA和PCIE集成块，完结双缓冲方式的高速PCIE接口规划。
1.2 双缓冲与单缓冲比较
以写操作（数据从FPGA到内存）为例，双缓冲PCIE体系框图如图1所示。为描绘便利，将该FPGA片上体系命名为SRSE（Software Radio System with PCI Express）。
图1 双缓冲PCIE体系框图
PC端的驱动程序在体系内存上为SRSE分配了两个缓冲区（WR_BUF1/2）用于数据存储，这两个缓冲区的地址信息别离存储在FPGA端的DMA寄存器（DAM_Reg1/2）中。Root Complex衔接CPU、内存和PCIE器材，它代表CPU发生传输恳求［3］;PCIE核是Xilinx公司供给的集成块程序，完结PCIE协议的处理；DMA（直接存储器拜访）引擎用于完结DSP核和PCIE器材间的高速数据存储与交流；DSP（数字信号处理）核是用户规划的算法或运用程序。以图1为例，DSP核将发生的数据写入TX_FIFO，DMA引擎将数据以传输层数据包（TLP）的方式发送至PCIE核，其间数据包的头信息来自寄存器DMA_Reg1.当SRSE将数据写入缓冲区WR_BUF1时，驱动分配别的一块缓冲区WR_BUF2并将该缓冲区的地址信息写入寄存器DMA_Reg2中；当DMA引擎宣布WR_BUF1的写操作音讯中止（MSI）后，DMA操控器将数据包的头信息切换至DMA_Reg2，驱动将缓冲区切换至WR_BUF2，持续传输数据。
图2 PCIE总线中止推迟丈量
与双缓冲相对应的是单缓冲方式。以写操作为例，驱动程序每次在内存上分配一个缓冲区WR_BUF，该缓冲区的地址信息存储在DMA寄存器DMA_Reg中。当写满缓冲区WR_BUF时，DMA引擎会发生MSI中止，并经过PCIE核告诉驱动程序。驱动分配新的缓冲区，并将该缓冲区地址经过PCIE总线写入DMA寄存器DMA_Reg中。中止的传输和DMA寄存器的更新会发生必定延时，这需求较大的TX_FIFO来存取延时期间DSP核发生的数据。
为准确丈量中止延时时刻，建立了根据DELL T3400型PC和ML605开发套件的渠道，经过ChipScope调查的波形成果如图2所示。DMA中止发生在时刻0（mwr_done:0﹥1）；然后PCIE核向驱动宣布MSI中止，驱动程序查询中止寄存器发生在时刻2241（irq_wr_accessed:1﹥0）；驱动程序分配新的内存缓冲区，然后更新DMA寄存器发生在时刻2802（wr_dma_buff0_rdy:0﹥1）。在这2802个时钟周期内，PCIE器材无法将数据写入内存。PCIE的时钟频率为250 MHz，所以中止延时T=2802×（1/250 MHz）=11.2 μs.假定DSP核发生数据的速率为200 MB/s，中止延时期间将发生11.2 μs×200 MB/s=2241 B巨细的数据。考虑到其他不行猜测要素，如中止堵塞等，为了不丢掉数据，TX_FIFO至少需求几KB的空间。这关于FPGA内名贵的硬件资源（如Block RAM）来说是严峻的应战。
与单缓冲方式比较，双缓冲方式长处归纳如下：
① 更新缓冲区不会引进中止延时，这意味着较小的FIFO即可满意需求，节省了硬件资源。
② 双缓冲方式延长了驱动程序处理中止的时刻，也使缓冲区数据的处理愈加简单，丢包率大大减小。
③ 数据的传输和内存缓冲区的数据处理能够并行处理，体系的实时性得到确保。
④ 双缓冲更合适Scatter/Gather DMA，替代block DMA，然后进步内存功率。
2 软件无线电渠道规划
软件无线电根据可编程、可重构的通用硬件渠道，经过加载不同的软件完结不同的无线电功用，广泛运用于军用和民用范畴。为了能够完结杂乱的算法，其渠道需求具有高速数据交流和实时信号处理的才能。该规划参阅Xilinx ML605开发套件，根据Xilinx Virtex6 LX240T FPGA芯片，经过添加相应的模块建立通用的软件无线电渠道。
软件无线电原理框图如图3所示。信号获取模块选用两片ADC和DAC以完结IQ两路信号的数模转化；通讯模块由以太网和USBRS232接口组成；扩展卡可所以射频发射机或接纳机，经过扩展卡接口与母板相连；JTAG接口供给在线编程和内部测验功用；存储器材包括512 MB DDR3内存和128 MB渠道Flash，别离用于动态数据存储和装备FPGA;人机接口由LED/LCD、按键和开关等元件组成，完结人机对话；200 MHz有源晶振和SMA时钟接口组成时钟输入模块，向FPGA供给时钟基准；8通道PCIE接口和IP核完结渠道与PC间高速数据交流。
图3 软件无线电原理框图
3 双缓冲方式PCIE总线规划
3.1 PCIE驱动规划
PC端根据Linux（Ubuntu 10.10）操作体系。该操作体系免费开源，安全安稳灵敏，合适低本钱软件开发。驱动程序包括数据流接口和操控接口。数据流接口用于Linux用户空间和SRSE渠道间高速的数据交流；操控接口运用户能够调查和装备SRSE渠道寄存器，例如经过操控接口，用户能够在PC端改动SRSE渠道的调谐频率等参数。数据流接口是双向独立的，支撑双/单工，即能够一起读和写数据。以数据发送（从PC到SRSE）为例，用户空间调用write（）函数将恣意数量的数据发送至驱动，驱动收拾数据碎片以满意PCIE对数据对齐和传输块数据量的要求。当数据满意4096字节，驱动将数据块发送至Root Complex并保存已发送数据的列表，等候接纳来自SRSE渠道的写操作中止。PCIE驱动数据接纳的原理如图4所示。当用户空间调用read（）函数或许驱动接纳到来自PCIE设备的数据时，驱动初始化读操作。驱动程序将坚持堵塞（blocking），直到用户空间调用read（）函数，而且已接纳到满足的数据包，然后能够填满read（）恳求的数据量。碎片收拾模块对已接纳的数据进行收拾，然后将数据块回来至用户空间，并告诉其免除驱动阻挠。
图4 PCIE驱动中的数据接纳
3.2 PCIE核装备
Virtex6 PCIE Endpoint Block［4］集成了传输层（TL）、数据链路层（DLL）和物理层（PL）协议，它完全契合PCIE根本标准，可装备性添加了规划的灵敏性，降低了本钱。其功用框图与接口如图5所示。其间收发器经过PCIE总线与Root Complex完结数据包的传递，PCIE总线由体系接口和PCIE接口组成；体系接口由复位和时钟信号组成，PCIE接口由8条差分传输和接纳对组成（8lane）。TX/RX Block RAM用来存储来自DMA引擎和体系内存的数据，其巨细能够经过Xilinx Core Generator装备。传输接口为用户供给了发生和接纳TLP的机制；物理层接口运用户能够观测和操控链路的状况；装备接口运用户能够调查和装备PCIE终端的装备空间，即DMA寄存器；中止接口完结DMA与PCIE核之间的中止传输。用户经过这些接口规划契合其需求的DMA引擎。
图5 PCIE功用框图与接口
本文运用Xilinx CORE Generator生成PCIE核，其首要装备参数如表1所列。
表1 PCIE核首要装备参数
3.3 总线主控DMA传输
参阅Xilinx运用实例XAPP1052［5］，本文规划的DMA结构框图如图6所示，各部分功用介绍如下：
① 发射引擎。发射引擎发生传输层数据包（TLP）并经过传输接口发送至PCIE核，数据包的数据来自TX_FIFO，头信息来自DMA操控/状况寄存器，也担任驱动对DMA寄存器的读取。
② 接纳引擎。接纳引擎将来自上位机的数据包解码并转存至RX_FIFO中，也接纳来自驱动的装备信息并将寄存器值写入DMA操控/状况寄存器中。
③ DMA操控/状况寄存器。该模块是DMA的主操控器，操控着DMA复位、读写等操作；内存缓冲区的地址信息和TLP包长度等信息也存储在该寄存器中。
④ MSI中止操控器。该模块发生读写中止，然后经过中止接口告诉PCIE核，从而告诉驱动程序。
⑤ TX/RX_FIFO.经过Xilinx Core Generator将FIFO装备为独立时钟异步方式，完结不一起钟域的数据缓冲和位宽转化。本文PCIE时钟为250 MHz、位宽64位，而DSP核时钟为200 MHz、位宽32位。
⑥ PCIE核。该模块为例化的PCIE集成块，框图和参数详见图5和表1.
⑦ DSP核。该模块为用户规划的算法或许功用模块，例如经过Simulink调用Xilinx库完结某种功用。
图6 DMA结构框图
3.4 双缓冲PCIE协议
以写操作为例，双缓冲PCIE协议如图7所示。初始化时，驱动程序在内存中分配两块缓冲区Buff 1a/2a，然后将Buff 1a的地址信息写入DMA操控/状况寄存器DMA_Reg1（图1）中并开端写操作；DMA引擎将FIFO中的数据以数据包的方式经过PCIE总线发送至缓冲区Buff 1a中，期间驱动程序将Buff 2a的地址信息发送至DMA操控/状况寄存器DMA_Reg2中；当Buff 1a写操作完结时，MSI中止操控器发生MSI中止并告诉驱动，此刻驱动和DMA操控器一起切换缓冲区，即驱动将缓冲区切换至Buff 2a，DMA操控器将TLP头信息切换至DMA_Reg2，如此持续传输数据。
图7 双缓冲PCIE操作协议（写操作）
将MSI中止与新缓冲区装备间的时刻距离称为中止延时，如图2和图7所示。双缓冲方式的引进消除了中止延时的影响，使SRSE在中止延时期间仍能传输数据，节省了硬件资源，驱动程序也有更多时刻来处理缓冲区的数据。
4 PCIE调试与功用
供给了Root Port的Test Bench，它能够模仿PC和驱动程序，如初始化DMA引擎、发生下行数据流并发送至PCIE设备，也能够接纳来自PCIE设备的上行数据流等，使整个体系（PCIE核+DMA引擎+DSP核）能够在Modelsim SE环境下仿真。这大大缩短了开发周期，进步了开发功率。功用仿真经往后，运用Xilinx ISE 软件完结代码的输入、归纳、完结、验证和下载。
硬件渠道为DELL T3400型PC和Xilinx ML605开发套件。PC端根据Ubuntu 10.10操作体系运转驱动程序，FPGA端DSP核（图6）经过Matlab Simulink调用Xilinx元件库完结。本文DSP核由32位计数器和加法器组成：计数器将值写入TX_FIFO，PC端检测接纳数据以验证写操作（SRSE→PC）；同样地，PC端发生+1计数值并将数据写入RX_FIFO，DSP核的加法器用来验证读操作（PC→SRSE）。
结语
本文规划了根据Xilinx Virtex6 FPGA的通用软件无线电渠道，使用C言语开发了根据Linux体系的驱动程序，使用Verilog言语规划根据Xilinx PCIE硬核的双缓冲DMA操控器。双缓冲消除了中止延时的影响，节省了硬件资源，进步了数据传输速度。
