在大數(shù)據(jù)時代的背景下,數(shù)據(jù)傳輸及處理已是一個重中之重的話題。這其中涉及到三個重要點:數(shù)據(jù)傳輸速度必須快、數(shù)據(jù)處理方式需要靈活、數(shù)據(jù)傳輸過程需要穩(wěn)定。在傳輸技術(shù)方面,PCIe總線憑借其超高的傳輸功率及良好的抗擾能力已處于行業(yè)的尖端地位。在保證傳輸速度的同時,數(shù)據(jù)的靈活處理和穩(wěn)定交互也顯得尤為重要。本文將PCIe總線技術(shù)結(jié)合到FPGA板卡與計算機的交互上,以FPGA板卡處理的靈活性為支撐,同時利用了微軟最新的面向?qū)ο蟮尿?qū)動模型WDF為框架,設(shè)計并實現(xiàn)了內(nèi)核模式下的KMDF驅(qū)動和FPGA板卡,以保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定、快速地傳輸并處理。本文首先進行了PCIe總線協(xié)議的理論研究,根據(jù)協(xié)議設(shè)計并實現(xiàn)了FPGA板卡的PCIe接口及相關(guān)模塊。工作主要分為兩個部分:其一是PCIe總線協(xié)議的研究,這里分別從PCIe的三個層次結(jié)構(gòu)對協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)進行了理論分析,掌握了各個層次數(shù)據(jù)包的格式及作用,同時列舉了PCIe總線通信中常用的信號。其二是根據(jù)PCIe總線協(xié)議設(shè)計并實現(xiàn)了FPGA模塊來進行數(shù)據(jù)傳遞和數(shù)據(jù)處理。這里的主要工作包含IP核實現(xiàn)、數(shù)據(jù)輸入模塊實現(xiàn)、數(shù)據(jù)輸出模塊實現(xiàn)以及FIFO隊列模塊的實現(xiàn)。IP核用于轉(zhuǎn)換PCIe總線信號與FPGA板卡所用的AVALON-ST信號。數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送工作分別由數(shù)據(jù)接收模塊及數(shù)據(jù)發(fā)送模塊來完成,其模塊內(nèi)包含轉(zhuǎn)換邏輯,分別用于解析及封裝AVALON信號。除此之外,本文針對FPGA模塊間高耦合性導(dǎo)致的時間冗余設(shè)計并實現(xiàn)了FIFO隊列模塊,其平衡了各模塊間的負載,有效增加了數(shù)據(jù)的傳輸及處理效率。在驅(qū)動設(shè)計與實現(xiàn)方面,本文通過對WDF框架的理論研究同時結(jié)合FPGA板卡的相關(guān)特性設(shè)計并實現(xiàn)了內(nèi)核模式下的KMDF驅(qū)動程序。其中主要包含驅(qū)動程序的設(shè)計與實現(xiàn)和應(yīng)用程序的設(shè)計與實現(xiàn)兩部分工作。在驅(qū)動程序部分,首先編寫了KMDF框架的相關(guān)功能,包含硬件資源分配函數(shù)、I/O回調(diào)處理函數(shù)、中斷處理函數(shù)以及DMA處理函數(shù)等。由于傳統(tǒng)DMA模塊僅采用一塊緩存用于映射上位機和硬件設(shè)備,這導(dǎo)致了接收數(shù)據(jù)會覆蓋發(fā)送數(shù)據(jù),從而無法驗證發(fā)送數(shù)據(jù)并且無法實現(xiàn)重傳。因此本文采用了兩塊緩存分別映射輸入與輸出兩個空間來進行DMA傳輸,增加了容錯率也實現(xiàn)了重傳機制。在應(yīng)用程序部分,本文利用內(nèi)核API來與驅(qū)動程序進行交流,編寫相關(guān)I/O控制碼的處理函數(shù)來傳輸數(shù)據(jù)和接受數(shù)據(jù),使數(shù)據(jù)能夠直觀展示。在最后的實驗工作中,本文首先進行了應(yīng)用程序與驅(qū)動程序間的數(shù)據(jù)傳輸驗證,之后進行了驅(qū)動程序與FPGA板卡的通信驗證,最后將三者結(jié)合并在FPGA板卡上加入簡單計算邏輯以及FFT數(shù)據(jù)處理模塊進行數(shù)據(jù)的傳輸及處理實驗。經(jīng)實驗對比,兩種方式均實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的正確傳輸及處理,達到了實驗的目的,驗證上位機數(shù)據(jù)通過外設(shè)硬件進行數(shù)據(jù)處理的可行性,具有一定的應(yīng)用價值及現(xiàn)實意義。
【學(xué)位單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN919.1;TN791
【部分圖文】：

之后是功能仿真與時序仿真。功能仿真就是對開發(fā)者設(shè)計好的電通過在仿真軟件中觀察各個仿真結(jié)果，來確定所設(shè)計的電路是有功能。功能仿真中不會引入具體某個 FPGA 的物理電氣特性僅僅是完成邏輯功能驗證。而時序仿真中會考慮到真實使用的性，它能很大程度的反映出該設(shè)計在真實應(yīng)用中的功能特性硬件參數(shù)包含在仿真文件中，所以，時序仿真具有極高的精度計的實用性。最后，將仿真之后的 FPGA 程序下載并燒錄之后便可進行硬件計能否在目標(biāo)系統(tǒng)上正常工作，隨后分析測試結(jié)果，進而排除發(fā)平臺介紹計采用的硬件平臺是深圳視颶芯微電子科技有限公司生產(chǎn)的 A該開發(fā)板使用的是 Altera 公司生產(chǎn)的 Cyclone IV 系列芯片，具75CF23C8N，其實物如圖 4.2 所示

計中的板卡支持 PCIe X4，在該板卡上，有 JTGA 和 AS 兩個A 接口可以調(diào)試程序，使用 AS 接口來配置 EPCS 芯片從而發(fā)板上使用 27MHz 和 25MHz 有源時鐘。在本設(shè)計中，采用的為了便于調(diào)試，開發(fā)板上有兩個可編程按鍵和一個重配置按上還設(shè)計了 4 個獨立的 LED 發(fā)光二極管。核設(shè)置Express IP 核是本設(shè)計的核心模塊，也是整個設(shè)計的難點之I Express IP 核將直接決定整個工程能否正常運行。在 Quart的宏模塊 MegaWizard Plug-In Manager 進行 IP 核的配置。ard Plug-In Manager 中創(chuàng)建 IP 核設(shè)計文件，并根據(jù)設(shè)計需要，然后在設(shè)計文件中例化 IP 核。，打開 MegaWizard Plug-In Manager，選擇 IP Compile for PC件名，如圖 4.3 所示。

重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文計使用的 FPGA 是 Cyclone IV GX 系列，且板卡支持 PCIE X4，擇 Cyclone IV GX，Lanes 選擇 X4，PCI Express version 選擇 1性考慮，在端點設(shè)計時選擇 Legacy Endpoint（老式端點）。至層時鐘，在本設(shè)計中，分別將其設(shè)置為 100 兆赫茲和 125 兆赫
【參考文獻】

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本文編號：2860358