問題:

隨著NI的FPGA產品的廣泛使用，很多同事和客戶都碰到了一些FPGA編程時遇到的問題。由于FPGA不能實時調試，每次修改一點代碼之后都要編譯很長時間之后才能看到修改的效果，所以，我們希望盡量在FPGA編寫代碼時就將更多的問題考慮到位。本文針對項目過程中碰到的一些實際問題進行闡述，希望可以為大家在FPGA編程過程中提供一些幫助。

項目描述：該項目是一個實時頻譜監測、流盤以及跳頻信號檢測的需求。具體參數是IQ速率為100MHz，流盤5分鐘（要做類似Reference Trigger的效果，即按下按鈕之前的一分鐘和按下按鈕之后的四分鐘信號一起流盤），檢測跳頻信號的時間點和相應的頻點，其中跳頻信號的參數是：突發性，每次持續1ms~20ms，跳頻信號在每個頻點上的持續時間是1us~20us，跳頻頻率70000/s，每個頻點上的信號帶寬是5MHz；使用的硬件是5792+7966.其中與FPGA相關的部分就是數據采集和跳頻信號的檢測。對于數據采集部分，5792有專門的采集范例可以供大家參考，而跳頻信號的檢測算法是將數據每隔128個點做一次FFT（100M的采樣率，對于1us的跳頻信號持續時間，對應為100個時域采樣點）。做出的FFT結果如果超過閾值，則將FFT結果的序號回傳給上位機進行保存。

解答:

一、DMA傳輸的速率

對于PXIe-7966R，官網上標定的DMA的傳輸速率為800MB/s，理論上可以完全滿足項目中的400MB/s的傳輸速率要求。但實際測試過程中，傳輸的速率接近但總是達不到400MB，這直接影響了信號的實時采集和流盤。經了解，FPGA的DMA BenchMark與FIFO的數據位寬、總線帶寬以及DMA控制器的速率都有一定關系。見下圖：

注：上圖中PXIe系統下，FPGA的時鐘使用的是200MHz的時鐘。而PXI系統下，FPGA的時鐘使用的是160M (U8 和U16)，133M（U32和U64）。

注：上圖中使用的機箱是PXIe-1075，使用的控制器是PXIe-8130.

通過觀察上述PXIe和PXI板卡的速率統計，可以看到：

對于PXI板卡，在 U8場景下，FPGA每秒鐘產生160MB的數據，U16場景下FPGA每秒產生320MB的數據。眾所周知，PCI總線的傳輸帶寬為133MB/s，那為什么上圖中U8情況下的速率才33MB/s，U16情況下的速率才66MB/s呢？這是因為PCI總線的傳輸模式是并行傳輸，總線位寬和時鐘頻譜分別是32位和33M（一般的desktop都是這樣的配置），也就是說每個時鐘周期傳輸32個比特的數據。因此，如果傳輸的是U8或者U16的數據類型，那么相當于每個傳輸周期浪費了3/4或者1/2的位寬。因此，U8情況下每次只能傳輸一個字節，結合33MHz的時鐘頻率，使得DMA 的Benchmark只有33MB/s。U16的情況下的DMA速率為66M也是可以理解的。而U32以及U64的情況下，只能達到133M的極限速率。
對于PXIe板卡，FPGA讀寫 FIFO的時鐘固定為200MHz，因此，如果FIFO的數據類型是U8，那么每秒鐘FPGA端就產生200MB的數據；如果FIFO的數據類型是U16，那么每秒鐘FPGA端就產生400MB的數據量。這些數據量遠小于1075機箱的單槽帶寬（PCIe Gen 1 ×4，1GB/s），因此，總的DMA Benchmark 就等于FPGA端產生數據的速率。如果FIFO的數據類型為U32，那么FPGA產生數據的速率就達到了800MB，這幾乎1075機箱的單槽傳輸極限，因此U32場景下DMA的BenchMark接近800MB/s。繼續增加FPGA端FIFO的位寬，在200MHz的時鐘頻率下FPGA每秒鐘產生1.6GB的數據，但這時PCIe總線的傳輸速率不可能再大幅提升，因此，U64情況下DMA的Benchmark 還是在800MB左右，所以我們很容易得出DMA的傳輸速率限制為總線的單槽傳輸帶寬。

實測1085+8135環境下的DMA速率
為了驗證此種情況（U64,200M時鐘）下DMA的傳輸速率限制確實為總線的單槽傳輸帶寬，我們有理由假設，如果使用1085機箱（單槽傳輸速率為4GB/s），DMA的傳輸速率應該可以達到1.6GB/s。因此，我又搭建了相關的系統對1085機箱下的7966 DMA速率進行測試：

硬件環境：PXIe-8135+PXIe-1085+PXIe-7966

測試方法：在7966中以200M的時鐘不斷將U64數據寫入到FIFO中，FIFO大小2048；上位機中對FIFO進行全速讀取（緩沖區中有多少點讀多少點），上位機緩沖區設置為200M；

測試結果：DMA速率900MB/s左右.修改上位機中FIFO的緩沖區大小，DMA速率沒有出現大的波動，依然在900MB/s。觀察CPU占用率在18~20%，每次循環查看緩沖區中的點數10000點不到，說明上位機的讀取速率完全不是瓶頸。