本文關鍵詞：基于FPGA結構高速PCIe總線傳輸系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

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【摘要】：PCI Express(PCIe)作為新一代總線接口,憑借其自身諸多優(yōu)勢一經(jīng)推出就得到迅速發(fā)展。其有效的解決高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)的吞吐量問題,廣泛應用到雷達、衛(wèi)星、測量等領域。然而由于協(xié)議本身的復雜性,真正研發(fā)出支持PCIe芯片的公司寥寥無幾。眾多IC設計者選用專用的PCIe芯片作為解決方案,其相對而言失去了協(xié)議本身的靈活性。本文采用帶有PCIe硬核Stratix IV系列EP4SGX230KF40I4作為控制芯片,設計與實現(xiàn)了基于FPGA(Field Programmable Gate Array)的PCIe X4架構高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。該設計方案能保證在較大的傳輸帶寬前提下,還可以針對實際情況設置PCIe硬核配置以滿足需求,有效的推廣PCIe的應用范圍。主要內(nèi)容如下:1、研究了PCIe協(xié)議原理,并對協(xié)議分層進行簡單介紹。介紹了PCIe協(xié)議中的三種路由方式以及PCIe設備配置空間。2、硬件系統(tǒng)采用Qsys設計流程。硬件系統(tǒng)中包括PCIe硬核、SGDMA軟核和Chip Memory等模塊,PCIe硬核實現(xiàn)PCI Express1.0協(xié)議,SGDMA核實現(xiàn)了分散/聚集(Scatter/Gather)DMA硬件邏輯。在此基礎上,測試了系統(tǒng)DMA讀寫數(shù)據(jù)吞吐量,其為后續(xù)硬件系統(tǒng)改進提供了參考依據(jù)。介紹實際項目中硬件邏輯和相關寄存器。3、在上文描述的硬件系統(tǒng)開發(fā)出對應的驅動程序�；赪DM模型開發(fā)出Windows系統(tǒng)的驅動程序,基于Linux內(nèi)核3.10.52開發(fā)出中標麒麟下的驅動程序。文中詳細描述了驅動程序中應用到技術和機制,中斷處理結構的設計是本文重點和創(chuàng)新點。在此中斷處理結構和SGDMA硬件邏輯共同基礎下,能實現(xiàn)多個通道并發(fā)啟動DMA操作,有效提高了系統(tǒng)整體吞吐量。4、根據(jù)用戶需求,將訪問硬件操作封裝成函數(shù)接口,設計出相應動態(tài)鏈接庫(DLL)。通過中間層DLL的封裝,能進一步保證用戶安全的操作硬件設備,從而提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。5、使用軟件測試界面程序測試系統(tǒng)整體性能,其中Windows下使用MFC開發(fā),Linux下使用QT開發(fā)。在測試界面程序中,測試驅動在通道FIFO隊列半滿中斷和定時器中斷模式下,每個通道數(shù)據(jù)吞吐量。測試結果表明整套系統(tǒng)性能滿足實際工程指標,能夠應用到實際工程中。
【關鍵詞】：PCIe FPGA Qsys SGDMA 驅動
【學位授予單位】：電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP336;TP334.7
【目錄】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 緒論10-15
• 1.1 課題研究背景和意義10-12
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀12-13
• 1.2.1 PCI Express研究現(xiàn)狀12-13
• 1.2.2 Qsys研究現(xiàn)狀13
• 1.3 論文結構安排13-15
• 第二章 硬件技術介紹15-28
• 2.1 PCI Express總線概括15-22
• 2.1.1 PCI Express拓撲結構15-16
• 2.1.2 PCI Express的設備層16-18
• 2.1.3 路由機制18-21
• 2.1.4 PCI Express配置空間21-22
• 2.2 SGDMA硬件邏輯22-27
• 2.2.1 Dispatcher模塊23-26
• 2.2.2 Read Master模塊26-27
• 2.2.3 Write Master模塊27
• 2.3 本章小結27-28
• 第三章 硬件系統(tǒng)設計28-42
• 3.1 Qsys開發(fā)平臺以及開發(fā)板28-29
• 3.2 IP Compiler for PCI Express29-30
• 3.2.1 參數(shù)設置29
• 3.2.2 Avalon-MM-to PCI Express Address29-30
• 3.3 Qsys互聯(lián)體系30-33
• 3.3.1 Qsys系統(tǒng)的組件31-32
• 3.3.2 Qsys系統(tǒng)具體設計32-33
• 3.4 Qsys系統(tǒng)下載以及DMA測試33-38
• 3.4.1 Qsys系統(tǒng)下載33-34
• 3.4.2 DMA測試34-38
• 3.5 實際中使用的Qsys系統(tǒng)38-41
• 3.6 本章小結41-42
• 第四章 軟件系統(tǒng)設計與實現(xiàn)42-65
• 4.1 驅動程序中應用的技術和機制43-49
• 4.1.1 循環(huán)緩沖池43-44
• 4.1.2 Scatter/Gather DMA44-46
• 4.1.3 中斷處理結構46-49
• 4.2 基于WDM模型PCIE設備驅動設計49-57
• 4.2.1 重要數(shù)據(jù)結構及其成員49-52
• 4.2.2 WDM驅動模型52-54
• 4.2.3 PCI Express接口驅動程序設計54-57
• 4.3 中標麒麟下PCIE設備驅動設計57-62
• 4.3.1 Linux設備驅動與計算機軟硬件系統(tǒng)關系58
• 4.3.2 設備注冊58-59
• 4.3.3 PCI Express接口驅動程序設計59-62
• 4.4 應用層與驅動通信62-64
• 4.4.1 應用程序打開設備63
• 4.4.2 提供給應用層的接口函數(shù)63-64
• 4.5 本章小結64-65
• 第五章 系統(tǒng)測試65-74
• 5.1 安裝Windows PCI設備驅動程序65-66
• 5.2 Windows下調(diào)試環(huán)境的搭建66-67
• 5.3 Windows下驅動性能測試67-71
• 5.3.1 半滿中斷方式性能測試68-70
• 5.3.2 定時器中斷方式性能測試70-71
• 5.4 中標麒麟下驅動測試71-73
• 5.4.1 安裝驅動71-73
• 5.4.2 性能測試73
• 5.5 本章小結73-74
• 第六章 總結和展望74-76
• 6.1 總結74
• 6.2 展望74-76
• 致謝76-77
• 參考文獻77-79

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本文編號：590319