隨著戰場電磁環境復雜程度越來越高，偵察與通信系統的融合成為一種必然的發展趨勢。數據量大、算法復雜是數字化偵察接收系統的主要特征。使用DSP和FPGA進行高速信號譜分析、濾波等預處理，借助通用計算機平臺實現信號的分選、顯示等后處理是一種理想的系統設計方案。因此，如何構建與PC機間的高速數據通道，便成了偵察接收系統設計中的關鍵問題之一。PCI （Peripheral CompONent Interconnect）總線，即外圍部件互連總線，是目前應用最廣泛的一種高速同步總線，在32位總線寬度33Mz時鐘下，其理論最大傳輸速率可達132Mbyte/s （64位總線寬度66MHz時可達到528Mbyte/s），因此成為上述偵察接收系統中高傳輸速率、低成本PC接口的首選實現方式。目前，實現PCI總線接口的常用方法有兩種：一是采用專門的PCI橋芯片實現PCI接口，如PLX公司的PCI905X系列芯片等；二是使用可編程芯片實現PCI接口。
隨著集成電路技術的發展，可編程芯片成本越來越低、資源越來越豐富，用戶可將PCI橋和其它用戶邏輯在一片可編程芯片上實現，其中后者不需要額外的PCI橋芯片，系統硬件電路得以簡化，系統的穩定性和可靠性更高，進而可以縮短系統開發周期。基于以上考慮，本文提出一種采用可編程片上系統（SySTem-On-Programmable-Chip，SOPC）實現偵察接收機PCI總線高速數據傳輸系統的設計方案，并采用直接存儲器訪問（DIRect Memory Access，DMA）傳輸方式來提高數據傳輸速率。
1 PCI總線接口方案設計
在PCI總線接口標準中，根據數據傳輸的發起者所在位置，PCI接口有從模式和主模式兩種工作模式。根據工作方式的不同，DMA傳輸方式可分為連續式DMA （Continuous DMA）和集散式DMA（Scatter-Gather DMA）兩種。
1.1 PCI模式的選擇
PCI總線標準中，由PC發起數據傳輸、讀/寫PCI接口卡的模式稱為從模式。這種模式只要求PCI接口設備具備PCI從設備的功能，接口邏輯相對較簡單；主模式是由PCI接口卡主動讀寫PC內存，PCI接口的邏輯相對復雜。頻繁地要求PC發起數據傳輸會占用PC的資源，為了減少PC的負擔，使其有更多的資源用于后續的數字信號處理，在偵察接收系統中，PCI接口卡的傳輸模式選擇主傳輸模式。
1.2 DMA傳輸方式的選擇
DMA是提高數據傳輸速率和微處理器使用效率的一種數據傳輸機制。連續式DMA用于實現連續數據塊的傳輸，即在一次DMA傳輸中設備端讀/寫物理地址連續變化（讀存儲器空間）或不變化（讀IO口），PC端的物理存儲地址連續變化。集散式DMA用于實現不連續數據塊的傳輸，各傳輸數據塊的起始讀/寫地址和長度都可以不同，它采用一個寄存器鏈表存儲每個數據塊的讀/寫起始地址和長度，DMA傳輸過程中自動從該鏈表加載地址和長度信息。集散模式DMA應用靈活，其缺點是在傳輸完一個數據塊之后要重新配置DMA控制寄存器的值，速度比連續模式稍慢。在偵察接收系統中，DMA傳輸模式選擇連續式傳輸模式。
1.3 PCI總線DMA傳輸方案設計
PCI接口總體結構框圖如圖1所示。數據輸入到乒乓RAM緩沖區，乒乓切換信號通知CPU數據準備好，CPU通過PCI橋的控制狀態寄存器判斷PC端是否備妥，如PC備妥則配置并啟動DMA控制器，DMA控制器讀口從乒乓RAM中讀數據，寫口將數據寫至PCI總線訪問端，PCI總線接口單元申請并獲得PCI總線訪問權，將數據送上PCI總線。
2 PCI總線接口的SOPC實現
SOPC是Ahera公司提出的一種靈活、高效的片上系統解決方案，它將處理器、存儲器、I/O口以及一些通用的功能模塊集成在一個PLD器件上，構成一個可編程的片上系統。利用SOPC開發偵察接收機中的PCI總線接口，具有開發周期短、系統穩定性好的優點。
2.1 系統實現
PCI總線接口的SOPC內部結構如圖2所示。實現PCI總線DMA傳輸系統使用到4類功能模塊，分別是實現PCI橋邏輯的pci_comiler組件（pci_c ompiler）、負責數據傳輸的DMA控制器（dma）、控制整個SOPC的NiosII處理器（cpu）及其數據程序存儲器（onchip_mem），以及SOPC和外部用戶邏輯通信的接口模塊（BA1、DMARD和datardy），上述組件通過avalon總線連接在一起組成SOPC。
PCI總線DMA傳輸系統功能模塊之間的交互過程如圖3所示，過程描述如下：
（1）CPU等待PC使能DMA傳輸，PC使能DMA后，執行（2）；
（2）PC等待乒乓RAM的數據準備好信號，數據準備好后，執行（3）；
（3） CPU將DMA的讀/寫地址和傳輸長度參數寫入DMA控制器中，使能DMA控制器，DMA控制器開始數據傳輸，即讀口通過DMARD接口從RAM中讀數，寫口將數據寫到PCI橋，PCI橋將數據送至PCI總線；
（4）當傳輸結束后，DMA控制器產生一個中斷（IRQ1）送CPU;
（5）CPU判斷傳輸是否完成，傳輸完成則通過PCI橋向PC發送中斷，并執行（1），開始下一次DMA傳輸；
（6）PCI總線發生異常時，PCI橋邏輯中斷CPU，CPU查詢異常狀態，并自動從異常中恢復。
2.2 PCI總線異常的自動處理
PCI總線DMA傳輸過程中，可能出現的異常包括：
（1）PCI總線上SERR信號為高，系統錯誤。
（2）PCI總線上PERR信號為高，數據奇偶校驗錯誤；
（3）主設備或從設備中止傳輸；
（4）主設備或從設備中止傳輸，或重試次數超過門限，導致PCI橋對總線讀/寫失敗。
在偵察接收系統設計中，上述異常一旦發生，PCI接口便中斷NiosCPU，CPU接收到中斷后，通過查詢PCI橋的控制寄存器訪問（Control RegisterAccess，CRA）空間，獲得異常信息。系統錯誤發生時，PCI接口設備是沒有辦法恢復的，在這種情況下，NiosCPU可點亮指示燈，指示系統錯誤發生；其它異常情況發生后，Nios CPU可立即通過對DMA控制器的狀態空間的長度寫零來停止DMA傳輸，然后重新啟動DMA傳輸，讓系統從異常中恢復過來。
2.3 提高PCI總線DMA速率的優化措施
為了盡可能提高DMA傳輸速率，本方案中共采取了以下三個方面的措施。
（1）PCI總線的突發傳輸與Avalon總線的流水線操作
為了提高系統傳輸速率，應充分利用PCI總線的突發傳輸特性，使PCI總線處于突發傳輸狀態。為此，在系統設計中，一方面使Avalon總線工作于流水線模式下，降低Avalon總線的延遲時間；另一方面適當增大緩存存儲空間，避免因緩沖區滿造成的傳輸延遲等待。
（2）DMA控制的優化
為了使DMA傳輸更為靈活，如程序運行過程中改變DMA長度、讀寫地址、數據的幀長度，以及發生異常時程序自動恢復等，本文中使用Nio sCPU控制DMA傳輸。CPU的主要任務是在PC使能DMA和數據準備好時啟動DMA傳輸，應盡可能使程序緊湊，減少冗余操作，做到條件具備立即啟動DMA傳輸。
（3）功能模塊的時鐘設置
如圖2所示，SOPC中包括7個功能組件，為了進一步提高系統的速度，需要分別讓這7個組件的時鐘處于最佳狀態。PCI總線訪問相關組件的時鐘為33MHz，Nios CPU相關的組件運行在150MHz時鐘上。使系統在正確穩定運行的基礎上，最大限度地提高運行速度。
3 結束語
本文給出了一種基于SOPC系統的PCI總線高速DMA傳輸方案。與傳統的使用PCI橋芯片實現PCI總線的方案相比，該方案將PCI橋和用戶邏輯在一片FPGA中實現，減少了硬件電路的復雜度、降低了系統成本；采用SOPC創建PCI橋，大大縮短了開發周期，提高了系統的可靠性，且因使用了片上Nios CPU進行DMA的在線配置和自動異常處理，使DMA傳輸更加靈活。通過在EP3C120芯片上驗證，該設計能夠實現大于100Mbytes /s的PCI總線DMA傳輸速率。