0 引言

　　隨著圖像采集、傳輸和處理技術(shù)的發(fā)展，在很多領(lǐng)域中對圖像數(shù)據(jù)實時采集后的傳輸和處理提出了更高的要求，尤其是高分辨率、高頻幀相機的廣泛使用，對高帶寬的需求更加迫切，傳統(tǒng)的總線技術(shù)PCI、PCI-X、AGP等已很難勝任，而串行總線PCIe，由于利用時鐘恢復(fù)和高速差分信號克服傳統(tǒng)并行總線中的諸多限制，達(dá)到了更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，因此一定程度上滿足了高數(shù)據(jù)帶寬的需求。PCIe總線使用數(shù)據(jù)包進行端到端的數(shù)據(jù)傳輸，理論上PCIe 1.0能達(dá)到2.5 Gbps/lane，2.0能達(dá)到5.0 Gbps/lane，但由于采用8b/10b編碼以及數(shù)據(jù)包頭和控制數(shù)據(jù)包的占用，有效數(shù)據(jù)速率會低于理論值的80%[1-2]。

　　利用PCIe總線的高帶寬優(yōu)勢，設(shè)計了一種基于PCIe總線的多路實時傳輸系統(tǒng)，采用Bus Master DMA方式實現(xiàn)與PC之間的高速傳輸，以滿足多路圖像數(shù)據(jù)實時采集后傳輸和處理的高帶寬需求。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

　　基于可編程邏輯器件FPGA的設(shè)計相比ASIC具有更好的靈活性和可配置性，因此本文所設(shè)計的基于PCIe總線的多路實時傳輸系統(tǒng)采用了Xilinx XC6VLX240T FPGA來實現(xiàn)。本系統(tǒng)主要包括PCI Express Core(EP)、DDR3 MIG模塊、PCIe Bus Master DMA(BMD)模塊以及DDR3讀寫控制模塊四部分，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　本系統(tǒng)的主要工作原理是由DDR3緩存相機采集PC處理后的圖像數(shù)據(jù)，通過PCIe總線實現(xiàn)與PC之間高速數(shù)據(jù)傳輸。兩路相機采集后的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)相機接口模塊前期處理后傳入DDR3讀寫控制模塊，由MIG模塊存入DDR3，然后DDR3中的數(shù)據(jù)被讀入發(fā)送緩存，同時PCIe BMD模塊發(fā)送MSI報文給PC使其配置BMD相應(yīng)寄存器，BMD模塊會讀取發(fā)送緩存中的數(shù)據(jù)組成存儲器寫請求報文經(jīng)PCIe總線傳給PC。對兩路圖像數(shù)據(jù)進行基于對象的特征提取后，PC配置BMD相應(yīng)寄存器使其發(fā)送存儲器讀請求報文，然后PC端將處理后的圖像數(shù)據(jù)組成CPLD數(shù)據(jù)包發(fā)向PCIe EP Core，BMD模塊會將收到的CPLD TLP中的有效數(shù)據(jù)存入接收緩存，最后DDR3讀寫控制模塊讀取接收緩存中的數(shù)據(jù)，存入DDR3以待DVI 接口模塊讀取輸出顯示。結(jié)構(gòu)圖中FIFO除了緩存的作用外主要是解決位寬及跨時鐘域的問題[3]，而DMA FIFO接口模塊的作用主要是負(fù)責(zé)BMD模塊與FIFO間的信號連接及控制。

2 主要模塊設(shè)計

　　本系統(tǒng)的設(shè)計主要是DDR3讀寫控制模塊和PCIe BMD模塊的設(shè)計，而PCI Express Core(EP)和MIG可以通過Xilinx CORE Generator按需求的配置生成，其中PCIe配置成×4、gen2，利用Virtex6集成的PCIe IP實現(xiàn)，MIG配置成DDR3控制器、400 MHz。

　　2.1 DDR3讀寫控制模塊

　　DDR3讀寫控制模塊由讀寫控制模塊和仲裁模塊兩部分組成，如圖2所示。

　　讀寫控制模塊通過UI接口與MIG連接，按照MIG的時序要求進行讀寫操作。并且為了讀寫管理方便，將DDR3按容量劃分為兩份，分別用于存儲采集的兩路源圖像數(shù)據(jù)和經(jīng)PC處理后用于輸出的圖像數(shù)據(jù)。

　　仲裁模塊主要負(fù)責(zé)多個設(shè)備訪問DDR3時的總線切換。由于本系統(tǒng)不同設(shè)備讀寫DDR3所用時間不同，為避免采用輪詢機制所帶來的帶寬利用率的降低，采取仲裁機制，負(fù)責(zé)對各個設(shè)備的訪問請求做出應(yīng)答和總線的切換，效率更高[4]，原理如圖2所示。設(shè)計時，為避免幾個設(shè)備同時請求帶來不確定性，仲裁模塊采用Round Robin仲裁模式，使得各設(shè)備能公平得到響應(yīng)機會。綜合考慮帶寬利用率和實時性，將十行以內(nèi)圖像像素點的讀寫時間作為時間寬度，保證本系統(tǒng)的高效可靠。

　　2.2 PCIe BMD模塊

　　PCIe BMD模塊主要由三部分構(gòu)成，包括DMA 控制/狀態(tài)模塊、發(fā)送模塊以及接收模塊，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　2.2.1 DMA控制/狀態(tài)模塊

　　DMA控制/狀態(tài)模塊包括控制/狀態(tài)寄存器和控制模塊?？刂?狀態(tài)寄存器主要寄存BMD模塊的控制及狀態(tài)信息。PC端采用數(shù)據(jù)包的形式將配置需求通過PCIe總線傳輸?shù)紼P端，BMD接收模塊識別配置數(shù)據(jù)包(有效數(shù)據(jù)大小為1DW的存儲器寫請求TLP)，并根據(jù)TLP的地址段將數(shù)據(jù)寫入相應(yīng)的控制寄存器。PC端也可以發(fā)送讀控制/狀態(tài)寄存器的請求，接收模塊識別到該類數(shù)據(jù)包(請求數(shù)據(jù)大小為1DW的存儲器讀請求TLP)后，產(chǎn)生CPLD請求，發(fā)送模塊將根據(jù)該TLP的地址讀取對應(yīng)控制/狀態(tài)寄存器的值，生成CPLD TLP發(fā)向PC端。

　　控制模塊根據(jù)控制/狀態(tài)寄存器的配置值發(fā)送相應(yīng)的控制信號給發(fā)送及接收模塊，還與DDR3讀寫控制模塊相連，控制原圖像數(shù)據(jù)的讀取和處理后圖像數(shù)據(jù)的寫入，并配合讀取操作發(fā)送MSI請求[5]，使PC配置BMD模塊相應(yīng)的控制寄存器以進行存儲器寫請求TLP的發(fā)送。

　　2.2.2 發(fā)送/接收模塊

　　發(fā)送模塊作為BMD模塊的發(fā)送部分，主要負(fù)責(zé)在接收模塊收到讀寫控制/狀態(tài)寄存器的請求后完成報文的發(fā)送，在發(fā)送模塊收到MSI請求后MSI TLP的發(fā)送，以及根據(jù)PC端所配置的寄存器參數(shù)進行存儲器讀/寫請求TLP的發(fā)送，其中存儲器寫請求TLP的有效數(shù)據(jù)來自TX FIFO。

　　接收模塊主要負(fù)責(zé)接收各種數(shù)據(jù)包并作出相應(yīng)操作：當(dāng)收到配置數(shù)據(jù)包時，將有效數(shù)據(jù)寫入對應(yīng)控制寄存器；當(dāng)收到讀控制/狀態(tài)寄存器的請求，通知發(fā)送模塊讀取對應(yīng)控制/狀態(tài)寄存器值組成CPLD TLP發(fā)向PC端；當(dāng)收到CPLD TLP，其中的數(shù)據(jù)段就是發(fā)送模塊發(fā)送的存儲器讀請求TLP所請求的數(shù)據(jù)，然后對這些數(shù)據(jù)進行校驗并讀入RX FIFO等待存入DDR3。

　　2.2.3 PCIe BMD全雙工模式

　　對于本系統(tǒng)與PC之間的數(shù)據(jù)傳輸，單一時間段內(nèi)只進行讀或者寫比較簡單，但為了滿足系統(tǒng)需要以及傳輸效率的提高，大部分情況下，需要讀寫數(shù)據(jù)同時進行。對于發(fā)送模塊而言，則需要合理安排存儲器寫請求TLP和存儲器讀請求TLP的發(fā)送，這里采用動態(tài)加權(quán)循環(huán)調(diào)度算法(Dynamic Weighted Round Robin，DWRR)。普通的加權(quán)循環(huán)調(diào)度算法(Weighted Round Robin，WRR)是通過設(shè)置兩個計數(shù)器分別記錄當(dāng)前寫請求和讀請求已經(jīng)發(fā)送的個數(shù)，并根據(jù)傳輸特性給兩者配置相應(yīng)的權(quán)重值。傳輸開始后，當(dāng)某一請求次數(shù)達(dá)到它的權(quán)重值，則將該請求的計數(shù)器清零，再跳轉(zhuǎn)到另一請求，如此循環(huán)往復(fù)直到傳輸結(jié)束。由于讀請求的周期數(shù)要遠(yuǎn)小于寫請求，如果讀寫請求的權(quán)值設(shè)置好后就保持不變，讀請求的過快發(fā)送會快速消耗PCIe EP CORE的發(fā)送緩存從而造成擁堵，使發(fā)送模塊長期處于等待狀態(tài)，降低傳輸速率。本系統(tǒng)根據(jù)這一特性對WRR算法進行了優(yōu)化，開始階段由于發(fā)送緩存為空，為了充分利用總線，將讀請求權(quán)值設(shè)為發(fā)送緩存大小3/4，寫請求設(shè)為其1/4，優(yōu)先發(fā)送讀請求，再發(fā)送寫請求，然后根據(jù)寫請求個數(shù)達(dá)到權(quán)值后發(fā)送緩存的可用數(shù)設(shè)置讀請求的權(quán)值，當(dāng)發(fā)送緩存的可用數(shù)小于寫請求權(quán)值一半時，重新設(shè)讀寫請求權(quán)值都為1，使讀寫請求逐個間隔發(fā)送直到讀請求優(yōu)先完成，再發(fā)送剩余的寫請求。在這過程中讀寫請求權(quán)重值根據(jù)發(fā)送緩存的可用數(shù)動態(tài)變化，調(diào)整讀寫請求的發(fā)送組合，在保證讀取速率的情況下盡量減少了擁堵時間，從而提高整體傳輸速率。

3 設(shè)計實現(xiàn)及測試驗證

　　本設(shè)計采用Xilinx XC6VLX240T FPGA定制開發(fā)板作為開發(fā)平臺，并結(jié)合對應(yīng)的驅(qū)動程序和處理程序進行測試驗證。

　　3.1 設(shè)計實現(xiàn)

　　整個設(shè)計采用Xilinx ISE14.7作為FPGA的開發(fā)工具，利用Verilog HDL進行程序設(shè)計。根據(jù)圖1的結(jié)構(gòu)圖在頂層模塊中例化各個模塊，并進行相應(yīng)的優(yōu)化。為了滿足測試驗證的需求，頂層模塊中還需要例化ChipScope測試核。設(shè)計完成后，通過ISE綜合、映射、布局布線，最后生成可供下載的bit文件。綜合后整個設(shè)計占用Register資源9 317(3%)，占用LUT資源11 214(7%)，占用Bram資源12(2%)。

　　3.2 測試驗證

　　將開發(fā)板與PC主板的PCIe插槽相連接，下載bit文件，結(jié)合ChipScope軟件進行測試。兩路相機參數(shù)同為1 920×1 080，60 FPS，DVI顯示參數(shù)也為1 920×1 080，

　　60 FPS。DDR3 SDRAM時鐘400 MHz，物理位寬64 bit，讀寫控制時鐘200 MHz，數(shù)據(jù)位寬256 bit。PCIe配置成×4，gen2。理論上，DDR3的讀寫速率和PCIe的傳輸速率滿足多路圖像的采集和輸出要求。根據(jù)仲裁模塊的設(shè)計，測試時間寬度分別為1、2、4、8行圖像像素點讀寫時間下的性能，其中7.5 KB對應(yīng)一行圖像像素點的數(shù)據(jù)量。PCIe BMD單工情況下的測試結(jié)果如表1所示，并將表1的測試結(jié)果換算為gen1×8模式，與文獻[6]的結(jié)果進行對比，如圖4所示。

　　對比測試結(jié)果，文獻[6]在gen1×8模式時的最高傳輸速率為寫1 311 MB/s，讀1 002 MB/s，而本傳輸系統(tǒng)在相同模式下能達(dá)到的最高傳輸速率為寫1 632 MB/s，讀1 557 MB/s，相比文獻[6]寫入速率提高24.5%，讀取速率提高55.4%，并且表現(xiàn)出傳輸數(shù)據(jù)量越大，傳輸速率越高，超過60 KB之后趨于穩(wěn)定。如果PCIe BMD一直工作在單工模式，是不能滿足每秒寫入和讀取900 MB數(shù)據(jù)量的要求，因此本系統(tǒng)中PCIe BMD只在每幀圖像的開始和結(jié)束像素行傳輸時工作在單工模式，其余時間工作在全雙工模式。對于PCIe BMD的全雙工方式，發(fā)送模塊采用WRR算法和DWRR算法的測試結(jié)果如圖5所示。

　　對比該測試結(jié)果，可以看出對于不同數(shù)據(jù)量的傳輸，采用DWRR的傳輸速率都高于WRR，寫入速率最大提高3.4%，讀取速率最大提高9.6%，最高傳輸速率能達(dá)到寫1 478 MB/s，讀1 438 MB/s，保證了圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C后有充足的時間進行運算處理，滿足本系統(tǒng)的傳輸需求。根據(jù)PCIe BMD單雙工測試結(jié)果，綜合考慮整個系統(tǒng)的傳輸效率、總線切換頻率及實時性，傳輸系統(tǒng)仲裁模塊中的時間寬度設(shè)為4行圖像像素點的讀寫時間為佳。

4 結(jié)論

　　大數(shù)據(jù)量采集后的高速傳輸對于一個采集系統(tǒng)而言至關(guān)重要，高性能的傳輸系統(tǒng)能為大數(shù)據(jù)量的存儲、處理等后期各種操作提供保障。本文設(shè)計了一種基于PCIe總線的多路實時傳輸處理系統(tǒng)，并且通過FPGA驗證了該系統(tǒng)的可行性。實際測試表明該系統(tǒng)能達(dá)到單工寫1 632 MB/s、讀1 557 MB/s和全雙工寫1 478 MB/s、讀1 438 MB/s的傳輸速率，完全滿足本系統(tǒng)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，并且對于其他高速傳輸系統(tǒng)的設(shè)計有一定的借鑒作用。

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