基于FPGA实现的PCIE协议的DMA读写模块.docx

基于FPGA实现的PCIE协议的DMA读写模块
一、DMA概述
DMA（DirectMemoryAccess），即直接内存访问，是一种计算机处理器直接控制下一级存储器转移数据的技术。DMA可以实现不需主机干预，即可完成数据在内存与外设之间的传输。CPU接收到DMA请求后，便与DMA进行一些配置，设置DMA传输的源地址、目的地址、传输数据量以及DMA通信方式等，然后CPU给DMA一个传输的指令信号，使DMA进行数据的直接内存访问。DMA的使用无需CPU占用太多时间，大幅节省处理器时间，提高程序执行效率，尤其在数据处理量较大的时候，DMA技术展现出了显著的优势。
二、PCIE协议概述
PCIExpress（PeripheralComponentInterconnectExpress，PCI-E或PCIe）是一种高速串行总线标准，可用于连接内存到处理器或者处理器到外围设备。它比传统的PCI总线具有更高的带宽和更低的延迟，使其在高速数据传输和处理方面得到了广泛应用。PCIe基于分组包交换技术、高速差分信号传输和数据包协议，支持点到点，多点到点和广播方式的通信，其传输协议支持大多数现代系统总线架构。
PCIE的DMA读写是基于存储映射型IO进行的。存储映射型IO是一种十分常见的输入输出方式，在这种方式下，I/O设备被看做是内存空间的一部分，CPU访问I/O设备的方式与访问内存空间的方式相同。
PCIEDMA读写需要完成的基本流程如下：
1.在内存空间中先分配一块缓冲区，用于存放从设备读取的数据或要发送到设备的数据。
2.设置PCIe插槽上的设备的BAR寄存器，将设备的固定内存地址映射到系统内存地址上。
3.配置PCIE卡的DMA控制器，包括DMA的方向（读或写）、DMA的协议（PCIE）、DMA的传输大小、DMA缓冲区中的起始地址和目的地址等。
4.向DMA控制器发送一个DMA的启动信号，控制器根据配置开始DMA传输。
5.如果DMA传输是从设备读取数据，则控制器将请求发送给设备的物理层，在数据中心从PCIe接口接收数据并将其存储到PCIE控制器内部的缓冲区。
6.如果DMA传输是将数据写入设备，则控制器将往设备发送数据，设备会保存数据并响应传输完成的信号。
7.DMA传输完成后，控制器发出一个中断以通知CPU。
三、基于FPGA实现的PCIE协议的DMA读写模块
在FPGA上实现PCIE协议的DMA读写模块，需要实现的模块包括DMA协议栈、PCIE物理层、DMA控制器以及数据交换接口。其中，DMA协议栈负责实现DMA协议的各个层次，包括传输层、网络层、数据链路层和物理层，而PCIE物理层则负责FPGA与PCIE插槽上的设备之间的物理层面的通信。DMA控制器则是传输数据的核心，它控制数据的存储和传输，包括DMA传输方向、传输的起始地址、传输的大小以及DMA传输的协议等。
在FPGA上实现PCIE协议的DMA读写模块需要考虑到以下几个关键技术：
1、PCIE总线的PHY和MAC层的实现，需要实现的PHY和MAC层的函数有：发现和初始化、链路往来及速度协商、流控制、中断、错误处理等。
2、DMA控制器的实现，需要实现的功能包括：DMA传输方向、源地址与目标地址设置、传输大小设置、DMA传输状态管理等。同时需要实现DMA控制器与内存存储单元之间的数据交换接口，保证DMA控制器与存储单元之间的数据流畅、可靠和安全。
3、数据缓存及数据处理模块的设计，主要是处理DMA直接存取的原始数据，通过FPGA上的逻辑模块把数据进行处理和转换，转换成可传输的数据。
四、总结
基于FPGA实现的PCIE协议的DMA读写模块涉及到的技术比较复杂，需要涉及到PCIE总线的PHY和MAC层、DMA控制器、数据缓存及数据处理模块等多个方面，需要具备相应的硬件及软件技术。在实际应用中，需要根据需求进行适当的性能优化和硬件设计，保证DMA读写模块的高速、可靠和稳定，为数据传输提供强大的支持。