基于FPGA的高速串行数据传输的设计与实现

发布时间：2017-07-04 04:00

  本文关键词：基于FPGA的高速串行数据传输的设计与实现

  更多相关文章： FPGA USB 3.0 DDR2 SDRAM PCI-E 高速数据传输

【摘要】：针对不同项目的需求,本文设计了两个高速接口。某信号处理机在传送数据时对传输速度有很高的要求。USB 3.0接口在市场上已经广泛普及,并且具有即插即用、传输速度快、兼容性强等优点,最大传输速度可达5Gbps。在此背景下,本文首先设计了以FPGA为控制中心、DDR2 SDRAM为数据缓存、USB 3.0接口作为与计算机进行数据通信接口的高速数据传输电路。视频采集卡是进行视频处理必不可少的硬件设备,对数据传输要求也很高,在研究和分析现有的高速数据传输接口技术的前提下,将PCI Express总线技术作为研究对象,根据任务需求基于FPGA对PCI Express总线接口进行了程序设计,并在计算机上开发了硬件设备的驱动程序和性能测试软件。论文首先对两种接口技术的研究背景、国内外研究现状和接口协议进行了介绍,然后根据任务设计要求,分别构建了传输电路的系统框图。USB 3.0接口主要工作是设计了一种以FPGA内部的片上FIFO和DDR2 SDRAM为架构的高速缓存器,设计了USB 3.0在从FIFO工作模式下的GPIF Ⅱ状态机,完成了VHDL控制程序的编写；PCI-E接口主要工作是在FPGA中实现了PCI-E接口逻辑,通过PIO设计对内部寄存器进行读写操作,验证了PCI-E存储器读写以及完成等事务逻辑。数据传输使用DMA方式,介绍了DMA引擎模块的设计方法,对DMA读写操作的流程进行了分析。经测试,USB 3.0接口可以稳定的实现155MB/S的数据无误差传输,解决了数据传输速度瓶颈；PCI-E接口经过实际测试,DMA数据传输速度能达到1403MB/s,满足系统的数据传输需求。
【关键词】：FPGA USB 3.0 DDR2 SDRAM PCI-E 高速数据传输
【学位授予单位】：天津工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN791;TP334.7
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第一章 绪论8-12
• 1.1 研究背景及意义8
• 1.2 高速接口的国内外研究现状8-10
• 1.3 论文的主要工作10-12
• 第二章 高速串行通信接口技术的研究12-24
• 2.1 USB总线接口技术12-16
• 2.1.1 USB 3.0和USB 2.0对比12-13
• 2.1.2 USB 3.0传输协议分析13-15
• 2.1.3 USB 3.0应用15-16
• 2.2 PCI-E总线技术16-23
• 2.2.1 PCI Express总线系统结构16-18
• 2.2.2 PCI-E设备配置空间18-19
• 2.2.3 PCI-E总线层次结构19-20
• 2.2.4 PCI Express总线的事务层20-23
• 2.3 本章小结23-24
• 第三章 基于FPGA的USB接口的设计与实现24-46
• 3.1 系统硬件整体方案设计24-25
• 3.2 USB 3.0接口设计25-28
• 3.2.1 USB控制芯片的选择25-26
• 3.2.2 USB 3.0硬件电路设计26-28
• 3.3 DDR2 SDRAM接口设计28-31
• 3.3.1 DDR2芯片选型29-30
• 3.3.2 DDR2硬件电路设计30-31
• 3.4 FPGA的选型31
• 3.5 系统流设计实现31-44
• 3.5.1 时钟模块设计32-33
• 3.5.2 数据源模块设计33-34
• 3.5.3 DDR2 SDRAM控制器设计34-42
• 3.5.4 USB控制设计42-44
• 3.6 系统整体仿真44-45
• 3.7 本章小结45-46
• 第四章 基于FPGA的PCI-E接口的设计与实现46-72
• 4.1 PCI-E IP核概述46-55
• 4.1.1 IP核参数设置及使用46-49
• 4.1.2 IP核接口介绍49-55
• 4.2 KC705实现PIO模式设计55-58
• 4.3 ML555实现DMA模式设计58-66
• 4.3.1 DMA模式介绍58
• 4.3.2 DMA的原理及设计58-64
• 4.3.3 中断控制64-66
• 4.4 PCI-E驱动设计66-70
• 4.4.1 Windriver开发驱动流程66-69
• 4.4.2 PCI-E设备应用开发69-70
• 4.5 本章小结70-72
• 第五章 高速串行通信接口的测试与验证72-86
• 5.1 USB3.0接口测试72-80
• 5.1.1 设计测试环境72-75
• 5.1.2 USB 3.0实际测试75-76
• 5.1.3 DDR2 SDRAM测试76-77
• 5.1.4 实际数据传输测试77-80
• 5.2 PCI-E接口测试80-85
• 5.2.1 PIO模式测试80-82
• 5.2.2 DMA模式测试82-85
• 5.3 本章小结85-86
• 第六章 总结与展望86-88
• 参考文献88-92
• 发表论文和参加科研情况92-94
• 致谢94

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本文编号：516199