2 軟件無線電平臺設計

軟件無線電基于可編程、可重構的通用硬件平臺，通過加載不同的軟件實現(xiàn)不同的無線電功能，廣泛應用于軍用和民用領域。為了能夠?qū)崿F(xiàn)復雜的算法，其平臺需要具備高速數(shù)據(jù)交換和實時信號處理的能力。該設計參考Xilinx ML605開發(fā)套件，基于Xilinx Virtex6 LX240T FPGA芯片，通過增加相應的模塊搭建通用的軟件無線電平臺。

軟件無線電原理框圖如圖3所示。信號獲取模塊采用兩片ADC和DAC以實現(xiàn)IQ兩路信號的數(shù)模轉(zhuǎn)換；通信模塊由以太網(wǎng)和USBRS232接口組成；擴展卡可以是射頻發(fā)射機或接收機，通過擴展卡接口與母板相連；JTAG接口提供在線編程和內(nèi)部測試功能；存儲器件包括512 MB DDR3內(nèi)存和128 MB平臺Flash，分別用于動態(tài)數(shù)據(jù)存儲和配置FPGA；人機接口由LED/LCD、按鍵和開關等元件組成，實現(xiàn)人機對話；200 MHz有源晶振和SMA時鐘接口組成時鐘輸入模塊，向FPGA提供時鐘基準；8通道PCIE接口和IP核實現(xiàn)平臺與PC間高速數(shù)據(jù)交換。

圖3 軟件無線電原理框圖

3 雙緩沖模式PCIE總線設計

3.1 PCIE驅(qū)動設計

PC端基于Linux（Ubuntu 10.10）操作系統(tǒng)。該操作系統(tǒng)免費開源，安全穩(wěn)定靈活，適合低成本軟件開發(fā)。驅(qū)動程序包含數(shù)據(jù)流接口和控制接口。數(shù)據(jù)流接口用于Linux用戶空間和SRSE平臺間高速的數(shù)據(jù)交換；控制接口使用戶可以觀察和配置SRSE平臺寄存器，例如通過控制接口，用戶可以在PC端改變SRSE平臺的調(diào)諧頻率等參數(shù)。數(shù)據(jù)流接口是雙向獨立的，支持雙/單工，即可以同時讀和寫數(shù)據(jù)。以數(shù)據(jù)發(fā)送（從PC到SRSE）為例，用戶空間調(diào)用write()函數(shù)將任意數(shù)量的數(shù)據(jù)發(fā)送至驅(qū)動，驅(qū)動整理數(shù)據(jù)碎片以滿足PCIE對數(shù)據(jù)對齊和傳輸塊數(shù)據(jù)量的要求。當數(shù)據(jù)滿足4096字節(jié)，驅(qū)動將數(shù)據(jù)塊發(fā)送至Root Complex并保留已發(fā)送數(shù)據(jù)的列表，等待接收來自SRSE平臺的寫操作中斷。PCIE驅(qū)動數(shù)據(jù)接收的原理如圖4所示。當用戶空間調(diào)用read()函數(shù)或者驅(qū)動接收到來自PCIE設備的數(shù)據(jù)時，驅(qū)動初始化讀操作。驅(qū)動程序?qū)⒈３肿枞╞locking），直到用戶空間調(diào)用read()函數(shù)，并且已接收到足夠的數(shù)據(jù)包，從而能夠填滿read()請求的數(shù)據(jù)量。碎片整理模塊對已接收的數(shù)據(jù)進行整理，然后將數(shù)據(jù)塊返回至用戶空間，并通知其解除驅(qū)動阻止。

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圖4 PCIE驅(qū)動中的數(shù)據(jù)接收

3.2 PCIE核配置

Virtex6 PCIE Endpoint Block[4]集成了傳輸層（TL）、數(shù)據(jù)鏈路層（DLL）和物理層（PL）協(xié)議，它完全符合PCIE基本規(guī)范，可配置性增加了設計的靈活性，降低了成本。其功能框圖與接口如圖5所示。其中收發(fā)器通過PCIE總線與Root Complex實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的傳遞，PCIE總線由系統(tǒng)接口和PCIE接口組成；系統(tǒng)接口由復位和時鐘信號組成，PCIE接口由8條差分傳輸和接收對組成（8lane）。TX/RX Block RAM用來存儲來自DMA引擎和系統(tǒng)內(nèi)存的數(shù)據(jù)，其大小可以通過Xilinx Core Generator配置。傳輸接口為用戶提供了產(chǎn)生和接收TLP的機制；物理層接口使用戶能夠觀測和控制鏈路的狀態(tài)；配置接口使用戶能夠觀察和配置PCIE終端的配置空間，即DMA寄存器；中斷接口實現(xiàn)DMA與PCIE核之間的中斷傳輸。用戶通過這些接口設計符合其需要的DMA引擎。

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圖5 PCIE功能框圖與接口

本文使用Xilinx CORE Generator生成PCIE核，其主要配置參數(shù)如表1所列。

表1 PCIE核主要配置參數(shù)

3.3 總線主控DMA傳輸

參考Xilinx應用實例XAPP1052[5],本文設計的DMA結構框圖如圖6所示，各部分功能介紹如下：

① 發(fā)射引擎。發(fā)射引擎產(chǎn)生傳輸層數(shù)據(jù)包（TLP）并通過傳輸接口發(fā)送至PCIE核，數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)來自TX_FIFO，頭信息來自DMA控制/狀態(tài)寄存器，也負責驅(qū)動對DMA寄存器的讀取。

② 接收引擎。接收引擎將來自上位機的數(shù)據(jù)包解碼并轉(zhuǎn)存至RX_FIFO中，也接收來自驅(qū)動的配置信息并將寄存器值寫入DMA控制/狀態(tài)寄存器中。

③ DMA控制/狀態(tài)寄存器。該模塊是DMA的主控制器，控制著DMA復位、讀寫等操作；內(nèi)存緩沖區(qū)的地址信息和TLP包長度等信息也存儲在該寄存器中。

④ MSI中斷控制器。該模塊產(chǎn)生讀寫中斷，然后通過中斷接口通知PCIE核，進而通知驅(qū)動程序。