基于PEX8311 PCIE總線的高速圖像采集系統設計

3 系統軟件設計
3．1 FPGA邏輯程序
使用Verilog編寫FPGA邏輯控制程序，共有5個底層模塊和1個頂層模塊。每個模塊負責不同的功能。頂層模塊為PCIE_CAMLINK模塊，它通過調用其他模塊的功能來實現整個系統的功能；CAMLINK模塊用來控制Camera Link接口的讀寫；DoubleSdcon模塊用來控制SDRAM芯片的使能和讀寫，實現圖像的乒乓操作；FIFO模塊用來緩沖數據和匹配各芯片的工作速度；C_16450模塊進行串行到并行的轉換，完成對CamLink相機的控制；PEX8311-LOCAL模塊用來控制PCI—Express接口部分的讀寫，也就是對PEX8311芯片進行控制，對PEX8311的控制是實現PCI—Exp-ress總線的關鍵。
設計中是通過編寫狀態機(FSM，Finite State Machine)來對PEX8311的讀寫進行控制的。圖3為PEX8311的單周期讀寫的Verilog HDL語言時序控制狀態機設計。狀態0為空閑狀態，如本地總線請求信號LHOLD被置為1，則轉到狀態1，否則停留在狀態0。狀態1為總線保持狀態，在此狀態下應將本地總線響應信號LHOLDA置為1。如ADS信號為0且LW／R為1轉到狀態2；如ADS信號為0且LW／R和BLAST都為1轉到狀態3，為單周期讀狀態。狀態2為單周期寫狀態，在此狀態下要置READY信號0，以表示寫數據有效，在BLAST為0時轉到狀態3。狀態3為讀寫完成操作狀態，當LHOLD被置為0時，表明PEX8311不再請求本地總線，轉到狀態0，當BLAST為0且LHOLD為1時，表明PEX8311還要進行讀寫數據，則轉到狀態1繼續。

3．2 驅動程序
PCI—E總線與PCI總線在軟件層是完全兼容的，因此PCI—E總線驅動程序的開發過程與PCI設備驅動程序的開發過程是一樣的。本設計使用VC++6．0和開發工具包Driver Studio(DS)進行驅動程序的開發。DS可以集成到Visual C++環境中，針對特定的應用生成相應的驅動程序框架，在編程中采用面向對象的編程方法，極大地提高了編程效率。
驅動程序主要完成的功能：1)設備的初始化，找到所要控制的硬件，在驅動程序對象中設置驅動程序分發例程的程序入口點，建立所有驅動程序對象或其他系統資源；2)創建設備對象，利用AddDevice函數創建了一個設備對象，并將其連接到以PD0為底的設備堆棧中；3)中斷的響應與處理，完成對外部硬件中斷的響應并將中斷信息傳遞給應用程序；4)DMA操作，完成DMA的讀寫操作并在DMA傳輸結束后產生DMA中斷，通過響應的DMA中斷，將傳輸的數據發送到外部總線或應用程序。

4 實驗結果
通過編寫上位機程序對系統的傳輸性能進行測試，測試的基本原理是上位機生成一批數據然后從計算機的PCI-Express接口寫到PEX8311再寫到FIFO，最后寫到SDBAM中，然后上位機再從SDRAM中讀回剛才寫入的數據，比較讀和寫入的數據是否一致就能判斷系統的讀寫是否正確，并且測試數據的傳輸速率。經過一段時間的測試，系統最大傳輸速度達到180 MB／s，滿足了本系統高速數據的傳輸要求。

5 結論
本文設計了基于PCI Express總線的CamLink接口的高速圖像采集系統，在完成系統的硬件設計后，編寫了FPGA的邏輯控制程序，并開發了驅動程序和上位機應用程序。系統采用PCI Express總線實現硬件電路與計算機之間的高速數據傳輸。接口芯片采用PLX公司推出的第一款PCI Express橋接芯片PEX8311。實驗結果表明，設計的硬件系統滿足高速圖像傳輸的要求，并且性能穩定。