一种基于PCI IP核的码流接收卡

摘要：本文介绍了一种基于Altera公司的PCI接口IP核的DVB码流接收系统的硬件设计方案及设计要点的分析。该设计采用Altera公司的新一代FPGA芯片EP1C12和PCI IP核以及高速串行数据通信接收芯片，实现DVB-ASI信号的接收。
   前言
   随着数字化广播电视技术的迅速发展和基于MPEG-2标准的图像压缩和复用技术的完善，利用PC对大容量信息的处理变得日益重要，如基于PC的软复用器的实现，使得通过PC接收DVB(数字视频广播)码流已逐渐成为一项不可替代的多媒体数据接收技术。因此，设计基于PC平台的DVB 码流接收卡是数字广播电视发展的需要。
   由于DVB-ASI信号的平均传输速率为270Mbps，而DVB传输流又要求保证接收的实时性，因此本文选择了PCI总线。33MHz、32位的PCI总线的数据传输速率最高可达133MBps， 完全可以满足高速实时传输的需求。选择了Altera公司的PCI编译器软件包来实现PCI接口控制电路。该软件包为PCI接口提供了一个完整的解决办法，包含了PCI控制电路的所有功能。用户可以通过修改参数生成所需的IP核模块，以设计自己的外部设备接口逻辑。本文选择了其生成的PCI_MT32功能模块。
   系统硬件模块设计
   系统的硬件电路设计要求：能将传输速率为270Mbps的串行DVB-ASI码流实时、无损地通过PCI接口传输到PC，以供PC上的应用程序做进一步处理。在操作和使用上要方便，在设计上要求结构紧凑、接口简单、性能可靠、易于升级。系统硬件框图如图1所示。
   
图1 系统硬件框图
   从图中可以看出，由于使用了FPGA及PCI IP核，使整个硬件电路显得特别简洁。它主要由DVB码流输入模块和核心控制模块组成。串行DVB传输流经同轴电缆进入DVB码流输入模块，转换为8位并行输出。核心控制模块对并行数据进行缓存，并采用DMA方式传输给PCI总线，完成本地总线和PCI总线的可靠通信。
   DVB码流输入模块
   本文选用ASI接口。ASI信号由同轴电缆经BNC接头输入，经过互感(用PE65508芯片)转换为PECL(正向发射极耦合逻辑)差分电平信号，再经过耦合电路，到达CY7B933的差分线输入端。CY7B933是Cypress公司的一种用于点对点高速串行数据通信的接收芯片，它完成码流输入模块的核心功能。它有三种工作模式，这里选用它的解码模式对输入信号进行8B/10B解码和串并转换。最后输出经过字节对齐的8位并行TLL信号，输出的信号包括MPEG-2传输流和作为同步字使用的逗号字符(在8B/10B传输码规则中定义为K28.5专用字符)，其输出速率恒定为27MBps。
   核心控制模块
   核心控制模块由FPGA控制电路和异步FIFO组成。主要完成对输入ASI信号的缓存和对PCI总线信号的控制的功能。其中最主要的部分是FPGA控制电路。基于整个系统的性能的考虑，选择Altera公司的EP1C12。这款芯片有12060个逻辑单元，52个RAM块等资源，完全可以支持本设计的要求。
   FPGA控制电路内部框图如图2所示，它是本设计的核心部分，对输入的ASI信号保留有效的DVB传输流，发送到FIFO输入端进行缓存。并将FIFO缓存后输出的数据用DMA传输方式通过PCI总线实现对PC内存的存取，同时利用FIFO的标志信号控制DMA传输过程。下面对FPGA控制电路的各模块进行介绍。
   
  图2 FPGA控制电路内部框图
   PCI_MT32功能模块
   本文在选择PCI接口芯片时，选择了Altera公司的PCI 编译器软件包，它可以参数化地生成用于PCI接口的IP核--MegaCore。这个可编译和综合的MegaCore有以下4种宏功能模块：PCI_MT64、PCI_MT32、PCI_T64和PCI_T32。它们都可以完成总线协议的转换，将复杂的、电气和时序要求高的PCI总线逻辑转换为易于操作的本地接口逻辑，遵循PCI总线协议2.2版，经过严格的工业级验证并支持多款优化FPGA。其中，PCI_MT32是支持33/66MHz工作频率、32位PCI总线、支持主/从模式的PCI IP功能模块。考虑到市场的需求，通常的PC主板都支持32位PCI，且在主模式下DMA控制器才能工作，因此选择了PCI_MT32。 本地信号都以l (local)开头，其中以lt_开头的是从控信号，以lm_开头的是主控信号。
   要使用PCI_MT32功能模块就要了解其配置寄存器，配置寄存器中的基址寄存器最为重要，PCI_MT32共提供了6个基址寄存器，可以映射6个存储器或I/O 空间。在操作系统启动前后，基址寄存器分别起到两个作用。在操作系统启动前，基址寄存器存放定义的空间长度。以使加电软件以确定在系统中有多少存储器以及系统中的I/O 控制器要求多少地址空间，然后才可以把I/O 控制器映射到合理的地址空间并引导系统。在操作系统启动后，基址寄存器又要起到存放基地址的作用，通过对要存取的基址寄存器用配置写操作写入基地址，再通过基地址加偏移量就可以访问想要存取的空间。
   主控逻辑模块
   当PCI_MT32作为PCI总线主设备进行主模式操作时，主控逻辑模块对PCI_MT32本地侧信号进行控制以执行PCI主模式写事务，将FIFO的数据传送给从设备。同时还为DMA引擎提供PCI总线所处的状态，如总线是否处于数据阶段，是否有从设备终止等。
   模块的主要设计思路：当PCI总线仲裁器允许PCI_MT32成为总线主设备时，PCI_MT32功能模块在本地侧输出lm_adr_ackn信号，表明地址阶段开始，此时主控逻辑模块应在l_adi线提供PCI地址，并在l_cbeni线提供PCI命令。在接下来的数据阶段，如果本地侧数据已准备好，就使lm_rdyn(本地侧主设备准备好)信号有效，并在l_adi线提供数据，在l_cbeni线提供字节使能。如果从设备被选中且准备好，数据传输就开始了。最后，通过通知PCI总线当前周期是本地侧最后的数据阶段，在完成这次数据传输后就进入总线空闲状态，PCI_MT32不再是总线主设备，一次数据传输也就结束了。
   从控逻辑模块
   当PCI_MT32作为PCI总线从设备进行目标事务操作时，从控逻辑模块对PCI_MT32本地侧信号进行控制。PC通过读本地侧相应寄存器，了解当前状态，通过对相应DMA寄存器的写操作，来启动DMA引擎。由于对寄存器的读写只用到目标单周期事务，且大部分信号由主机控制，从控逻辑相对简单。主要是保证在要存取的目标地址命中，且frame信号有效时，trdyn(从设备准备好)信号有效。
   DMA引擎模块
   DMA引擎模块由DMA寄存器、DMA状态机等模块构成，当PCI_MT32作为PCI总线主设备进行主模式写操作时，它与主控逻辑模块共同将FIFO缓存输出的数据通过DMA操作发送到PCI_MT32本地信号侧。
   其中，DMA寄存器的地址直接映射到PCI的地址空间，其基地址由PCI_MT32中的配置寄存器Bar0决定。主机通过访问这些寄存器来控制DMA操作。寄存器包括控制状态寄存器、PCI地址寄存器和中断状态寄存器。DMA状态机模块流程如图3所示。
   
图3 DMA状态机流程图
   以下对DMA状态机进行简要描述：状态机无数据传输时默认停留在空闲状态。当PC写控制状态寄存器中的启动位，就启动状态机，进入装载寄存器状态。自动装载PCI地址寄存器后进入等待请求状态。如果FIFO中的数据已经半满，进入请求状态申请占用PCI总线，接着进入等待允许状态，等待PCI设备获得总线的控制权。当PCI设备成为总线主设备，就进入准备状态。判断PCI总线的地址阶段结束将要进入数据阶段，则进入传输状态，进行数据传输。此时，如果从设备提出终止，则返回寄存器有效状态，根据情况重新申请总线的控制权；如果本次DMA数据传输结束或出现PCI异常中断、PCI系统错误、PCI奇偶校验错误、FIFO满等错误时，则分别进入结束状态或错误状态，写中断状态寄存器的相应位，同时发出中断信号。PC收到中断后，读中断状态寄存器确定中断类型，以进行下一步操作。最后返回空闲状态，并清除中断。
   FIFO逻辑控制模块
   FIFO逻辑控制模块根据CY7B933输出的状态信号，删除同步字K28.5，只将有效的数据读入，并将数据送入异步FIFO缓存。当FIFO空、半满、满时，对相应寄存器进行操作或通知DMA引擎模块，以防止数据的溢出或空读。
   异步FIFO在核心控制模块中，主要起到两个作用。一是数据缓存，在系统进行DMA操作，将数据从ASI接口写入PC内存时，DVB-ASI数据仍在源源不断地输入系统，FIFO可以将这些数据缓存，以防止数据丢失。二是时钟隔离作用，输入的ASI信号时钟是27MHz，而PCI时钟达到33MHz，这就要求对两个频率不同的时钟进行同步，异步FIFO的数据输入和输出分别使用不同的时钟，从而实现时钟的隔离和无缝拼接。由于本设计对FIFO容量的要求较大，因此不采用Megafunction技术构造，而使用专门的高速FIFO芯片。
   设计结果
   
图4 PCI DMA传输仿真波形图
   在Quartus－II中进行了vhdl源程序仿真。图4是用DMA方式进行PCI传输结果的仿真波形图。其中ASI_D为模拟输入的8位ASI码流，在对相应的DMA寄存器进行操作后，启动DMA引擎，图中①处PCI_MT32通过拉低reqn信号发出总线占用请求信号，②处PCI总线仲裁器通过拉低gntn信号允许PCI_MT32成为主设备。③处进入地址阶段，PCI_MT32在ad线上提供地址，在cben线上提供总线命令。在接下来的多个数据阶段(图中④处)，PCI_MT32在ad线和cben线上分别提供ASI_D输入的数据和字节使能，由于输入ASI信号是8位，而ad线为32位，因此利用ad信号的低8位来传输数据，可见，输出数据与ASI_D输入的数据相同。由于DMA传输长度的关系，本图最后通过模拟从设备断开(图中⑤处)，终止了这次传输。由于DMA传输没有结束，在终止后，DMA状态机根据判断状态，还会自动继续传输。从图中可以看出，framen、irdyn、trdyn、devseln等接口控制信号完全符合PCI时序的要求。实现了将ASI信号通过PCI总线与PC进行实时数据传输的目的。图中32位ad信号的高位没有得到充分利用，如果需要，可以很方便地利用它们将电路升级为两路或4路的多路DVB-ASI码流接收卡。如果使用支持64位PCI总线的PCI_MT64功能模块，则最多可以实现8路ASI信号的接收。
   结语
   本系统采用FPGA加PCI IP核的模式实现对高速、大容量DVB传输流的实时传输，实现了系统设计的目标。选择PCI总线可以保证在足够的带宽下进行数据传输。FPGA的应用易于在线升级电路，扩充平台的功能。IP核的使用使硬件电路更为简洁、可靠。经过验证，本文设计的系统可以很好地实现DVB-ASI信号的接收功能，同时，也可以作为其它DVB-ASI应用的基础平台，有着良好的应用前景。
   作者：张略 杨秀芝 福州大学物理与信息工程学院   来源：电子设计应用