基于FPGA结构高速PCIe总线传输系统设计与实现

发布时间：2017-07-29 17:33

  本文关键词：基于FPGA结构高速PCIe总线传输系统设计与实现

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【摘要】：PCI Express(PCIe)作为新一代总线接口,凭借其自身诸多优势一经推出就得到迅速发展。其有效的解决高速数据传输系统数据的吞吐量问题,广泛应用到雷达、卫星、测量等领域。然而由于协议本身的复杂性,真正研发出支持PCIe芯片的公司寥寥无几。众多IC设计者选用专用的PCIe芯片作为解决方案,其相对而言失去了协议本身的灵活性。本文采用带有PCIe硬核Stratix IV系列EP4SGX230KF40I4作为控制芯片,设计与实现了基于FPGA(Field Programmable Gate Array)的PCIe X4架构高速数据传输系统。该设计方案能保证在较大的传输带宽前提下,还可以针对实际情况设置PCIe硬核配置以满足需求,有效的推广PCIe的应用范围。主要内容如下:1、研究了PCIe协议原理,并对协议分层进行简单介绍。介绍了PCIe协议中的三种路由方式以及PCIe设备配置空间。2、硬件系统采用Qsys设计流程。硬件系统中包括PCIe硬核、SGDMA软核和Chip Memory等模块,PCIe硬核实现PCI Express1.0协议,SGDMA核实现了分散/聚集(Scatter/Gather)DMA硬件逻辑。在此基础上,测试了系统DMA读写数据吞吐量,其为后续硬件系统改进提供了参考依据。介绍实际项目中硬件逻辑和相关寄存器。3、在上文描述的硬件系统开发出对应的驱动程序。基于WDM模型开发出Windows系统的驱动程序,基于Linux内核3.10.52开发出中标麒麟下的驱动程序。文中详细描述了驱动程序中应用到技术和机制,中断处理结构的设计是本文重点和创新点。在此中断处理结构和SGDMA硬件逻辑共同基础下,能实现多个通道并发启动DMA操作,有效提高了系统整体吞吐量。4、根据用户需求,将访问硬件操作封装成函数接口,设计出相应动态链接库(DLL)。通过中间层DLL的封装,能进一步保证用户安全的操作硬件设备,从而提高系统稳定性。5、使用软件测试界面程序测试系统整体性能,其中Windows下使用MFC开发,Linux下使用QT开发。在测试界面程序中,测试驱动在通道FIFO队列半满中断和定时器中断模式下,每个通道数据吞吐量。测试结果表明整套系统性能满足实际工程指标,能够应用到实际工程中。
【关键词】：PCIe FPGA Qsys SGDMA 驱动
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP336;TP334.7
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-15
• 1.1 课题研究背景和意义10-12
• 1.2 国内外研究现状12-13
• 1.2.1 PCI Express研究现状12-13
• 1.2.2 Qsys研究现状13
• 1.3 论文结构安排13-15
• 第二章 硬件技术介绍15-28
• 2.1 PCI Express总线概括15-22
• 2.1.1 PCI Express拓扑结构15-16
• 2.1.2 PCI Express的设备层16-18
• 2.1.3 路由机制18-21
• 2.1.4 PCI Express配置空间21-22
• 2.2 SGDMA硬件逻辑22-27
• 2.2.1 Dispatcher模块23-26
• 2.2.2 Read Master模块26-27
• 2.2.3 Write Master模块27
• 2.3 本章小结27-28
• 第三章 硬件系统设计28-42
• 3.1 Qsys开发平台以及开发板28-29
• 3.2 IP Compiler for PCI Express29-30
• 3.2.1 参数设置29
• 3.2.2 Avalon-MM-to PCI Express Address29-30
• 3.3 Qsys互联体系30-33
• 3.3.1 Qsys系统的组件31-32
• 3.3.2 Qsys系统具体设计32-33
• 3.4 Qsys系统下载以及DMA测试33-38
• 3.4.1 Qsys系统下载33-34
• 3.4.2 DMA测试34-38
• 3.5 实际中使用的Qsys系统38-41
• 3.6 本章小结41-42
• 第四章 软件系统设计与实现42-65
• 4.1 驱动程序中应用的技术和机制43-49
• 4.1.1 循环缓冲池43-44
• 4.1.2 Scatter/Gather DMA44-46
• 4.1.3 中断处理结构46-49
• 4.2 基于WDM模型PCIE设备驱动设计49-57
• 4.2.1 重要数据结构及其成员49-52
• 4.2.2 WDM驱动模型52-54
• 4.2.3 PCI Express接口驱动程序设计54-57
• 4.3 中标麒麟下PCIE设备驱动设计57-62
• 4.3.1 Linux设备驱动与计算机软硬件系统关系58
• 4.3.2 设备注册58-59
• 4.3.3 PCI Express接口驱动程序设计59-62
• 4.4 应用层与驱动通信62-64
• 4.4.1 应用程序打开设备63
• 4.4.2 提供给应用层的接口函数63-64
• 4.5 本章小结64-65
• 第五章 系统测试65-74
• 5.1 安装Windows PCI设备驱动程序65-66
• 5.2 Windows下调试环境的搭建66-67
• 5.3 Windows下驱动性能测试67-71
• 5.3.1 半满中断方式性能测试68-70
• 5.3.2 定时器中断方式性能测试70-71
• 5.4 中标麒麟下驱动测试71-73
• 5.4.1 安装驱动71-73
• 5.4.2 性能测试73
• 5.5 本章小结73-74
• 第六章 总结和展望74-76
• 6.1 总结74
• 6.2 展望74-76
• 致谢76-77
• 参考文献77-79

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9 王根根;基于Windows WDM的USB设备驱动程序开发与应用[D];中北大学;2007年

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本文编号：590319