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PCl接口DMA传输方式的FPGA实现

同济大学超大规模集成电路研究所曲红林争辉焦孟草于超

摘要：本文介绍了一种使用FPGA进行32位PC1接口芯片设计的方法，并实现了DMA块模式传输方式，
既发挥了PC1总线的高性能又不占用CPU处理时间，实现计算机软件处理与机外的硬件处理的并行执
行，广泛适用于高速视频处理。

引言所设计的高速视频压缩处理系统的框架如图1
PCI总线是微型计算机中处理器、存储器与外所示。在视频处理过程中，由于算法复杂同时要保证
围控制部件、扩展卡之间的互连接口，其独立于处理实时性，需要将算法的一部分由计算机完成，处理后
器的独特设计和高性能、开放性等优势，使其得到迅的数据再送入PCI卡完成算法的剩余部分。为提高
速普及和发展。目前PCI总线已成为微型计算机事处理速度，实现软硬件两部分的高速并行，需要将中
实上的总线标准．并在嵌入式计算机和工控计算机间数据通过计算机的PCI接口以DMA方式传送给
方面具有广泛的应用前景。同时，随着可编程逻辑器机外硬件模块。考虑到系统的集成度及灵活性，我们
件FPGA的快速发展，在FPGA上实现PCI接口，来使用FPGA自主开发PCI接口芯片，符合PCI协议
降低成本和满足某些特殊要求的做法得到了越来越2．2
广泛的关注。
PCI接口的实现方案有两种：①采用专用的PCI
接口芯片，可以避免复杂的PCI协议，缩短开发周
视舅-!接视频
口
期，降低开发难度。但系统结构受接口芯片的限制，软}硬件

处玛f芯片．处理
不能灵活地设计目标系统，且成本较高。②使用可编
模I、模块
程逻辑器件FPGA实现。这种方案可以根据整个系D姒
]
统的实际需要仅选择实现PCI协议的某些子集．同

时将另外一些重要的功能集成到同一个器件上，这图1高速视频压缩系统框架
样就使得所设计的PCI接口具很强的针对性和灵活
性，与此同时又可以极大地降低这个系统的成本。我
们在设计高速视频压缩系统时，就采用了第二种方

广
法，即采用FPGA来设计简化的32位PCI接口，同8
时集成了DMA(DirectMemoryAccess)块模式传输
易
方式，既实现了PCI总线的高速传输，同时又大量减
少CPU处理时间，从两方面保证了视频处理的实时
性
图2PCJ接口芯片框架

http：／／www．cicmag．com

Master
1芯片构成及功能描述

芯片的总体框架如图2所示。
芯片由PC]接口模块、DMA控制模块及本地总
线接口模块三部分构成。PCI接口模块实现了简化

的33MHz工作时钟、32位总线宽度的接口功能，支∞
持内存空间及配置空间的读写；还负责遵循PCI协
议2．2与PCI总线通信，实现接口芯片的即插即用。
DMA控制模块负责接收计算机的DMA请求．接管
总线控制权，以DMA方式将计算机存储器的数据
以块方式读出并写到连接本地总线的存储器．DMA

结束后发出中断通知计算机．然后释放对总线的控图3PCI接口信号
制权。DMA控制模块也以同样的原理实现本地总线

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到PCI总线的DMA传输因此，本文只需对PCI总——=气———们咖—·—lo—．———n———————^————————————；==
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线到本地总线的DMA传输实现方法加以阐述。本GNTIJ
地总线接口模块负责根据本地总线的协议，同步FR^KIl
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DMA控制模块对其操作，因为它的功能实现随具体∞1*
采用的本地总线的不同而变化，故这里不作详细说
明。下面从PCI总线信号定义、PCI接口模块、DMA
控制模块三方面具体介绍

图4PCI总线上DMA传输的时序
2PCI总线信号定义
总线的请求
PCI的外部设备既可以作为PCI总线从设备GNT表示仲裁器允许主设备占用PCI总线
(Slave)，实现基本的传送要求，也可以作为PCI总线AD[31：O】时分复用地址傲据信号．在帧信
的主设备(Master)，访问其他PCI总线设备及系统的号有效的第一个时钟为地址信号
其他资源。为使此接口芯片可以不通过计算机的FRAME表示帧信号有效，指明传输的起
CPU，直接访问计算机的存储器，DMA传输过程中始时间和终止时间
将接口芯片设置为Master模式，计算机为slave模C／BE[3：0】命令字节使能信号，在帧信号有
式，两者间的接口信号遵从PCI协议2．2版在本设效的第一个时钟为命令信号CMD
计中接口芯片是以DMA方式把数据从计算机的存IRDY表示主设备已准备好接受数据
储器中读出并写入机外硬件处理模块．因此SIave一>DEVSEL设备选择信号，表示读地址在该
Master的主要接口