CN105183680A - 实现PCIe接口转CF卡接口的FPGA芯片及方法 - Google Patents

实现PCIe接口转CF卡接口的FPGA芯片及方法 Download PDF

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Abstract

实现PCIe接口转CF卡接口的FPGA芯片及方法,涉及PCIe接口转CF卡接口领域,包括:PCIe?IP核模块、适配模块、直接内存访问模块、CF卡接口协议模块和控制寄存器,对于PIO类指令,控制寄存器控制CF卡接口协议模块,将指令内容组成相应的CF卡接口指令时序;对于Ultra直接内存访问类指令,通过控制寄存器控制直接内存访问模块,设置最大总线突发传输长度、CPU侧存储地址和本次传输数据长度,直接内存访问模块等待CF卡接口协议模块给出的数据/空间准备好的请求,控制寄存器控制CF卡接口协议模块发送Ultra直接内存访问传输指令;本发明能够适用不同使用场景的不同需求,灵活性高。

Description

实现PCIe接口转CF卡接口的FPGA芯片及方法
技术领域
本发明涉及PCIe接口转CF卡接口领域,具体来讲涉及实现PCIe接口转CF卡接口的FPGA芯片及方法。
背景技术
随着PCIe(PeripheralComponentInterconnectexpress,外设部件互连标准接口)技术的日趋成熟和高性能特点,CPU外设接口有限,使用PCIe接口挂载外部设备的应用越来越广泛。CF(CompactFlash,便携式电子设备的数据存储设备)卡作为一种通用可靠的可移动便携存储器,在通信设备和工业设备中具有广泛的需求,CF卡接口符合PATA(ParallelAdvancedTechnologyAttachment,并行硬盘接口技术)接口协议的定义。
PCIe接口转CF卡接口的桥接功能芯片种类较少,现有的PCIe接口转CF卡接口的芯片,均是统一生产,而对于不同使用场景中的一些特殊需求,例如定时启动数据传输,DMA模块主动发起数据传输,CF卡接口时序可配置等功能,无法一一满足要求,灵活性低,不能够适应多种使用场景。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷,本发明的目的在于提供一种实现PCIe接口转CF卡接口的FPGA芯片及方法,能够适用不同使用场景的不同需求,灵活性高。
为达到以上目的,本发明采取一种实现PCIe接口转CF卡接口的FPGA芯片,分别连接CPU和CF卡,包括:PCIeIP核模块,用于向CPU提供标准PCIe接口;适配模块,用于PCIeIP核模块的接口总线到本地总线的适配;直接内存访问模块,与PCIeIP核模块连接,用于发起CF卡与CPU之间的数据传输;CF卡接口协议模块,与直接内存访问模块连接,用于向CF卡提供满足并行硬盘接口技术的接口;控制寄存器,通过适配模块挂接在PCIe基地址空间下,用于控制直接内存访问模块和CF卡接口协议控模块。
在上述技术方案的基础上,所述PCIeIP核模块的接口总线为Avalon总线或AXI总线。
在上述技术方案的基础上,所述控制寄存器包括控制直接内存访问模块的直接内存访问控制器,以及控制CF卡接口协议控模块的CF卡控制器。
在上述技术方案的基础上,所述直接内存访问模块包括发送方向控制器、接收方向控制器和先入先出队列模块,发送方向控制器用于控制直接内存访问模块由PCIeIP核模块读取需要写入CF卡的数据,接收方向控制器用于控制直接内存访问模块,读取CF卡接口协议模块从CF卡中读取的数据,先入先出队列模块包括两个先入先出队列,分别用于存储所述需要写入CF卡的数据和所述从CF卡中读取的数据。
在上述技术方案的基础上,在用于存储需要写入CF卡的数据的先入先出队列中,当数据量达到总线突发传输长度时,向CF卡接口协议模块发起数据传输。
在上述技术方案的基础上,在用于存储从CF卡中读取的数据的先入先出队列中,当数据量达到与PCIeIP核模块对应的接口总线长度时,由直接内存访问模块通过PCIeIP核模块写入数据到CPU。
在上述技术方案的基础上,所述控制寄存器中的CF卡控制器还包括模块寄存器、指令先入先出队列寄存器、读先入先出队列寄存器和写先入先出队列寄存器,模块控制寄存器用于配置接口时序、各个先入先出队列深度、先入先出队列阀值。
本发明还提供一种实现PCIe接口转CF卡接口的方法,包括:
对于PIO类指令,控制寄存器控制CF卡接口协议模块,将指令内容组成相应的CF卡接口指令时序,若是PIO读指令,将CF卡返回的数据存放在控制寄存器中,通过读取控制寄存器获取数据;若是PIO写指令,将该数据反映在接口时序;
对于Ultra直接内存访问类指令,通过控制寄存器控制直接内存访问模块,设置最大总线突发传输长度、CPU侧存储地址和本次传输数据长度,直接内存访问模块等待CF卡接口协议模块给出的数据/空间准备好的请求,控制寄存器控制CF卡接口协议模块发送Ultra直接内存访问传输指令;若是向CF卡写数据的指令,在控制寄存器存储数据量低于阀值时,直接内存访问模块从CPU侧读取数据,并存储在控制寄存器,通过CF卡接口协议模块按照CF接口时序写入CF卡;若是CF卡读数据的指令,则CF卡接口协议模块读取CF卡中目的地址的数据,并储存在控制寄存器中,当储存数据量高于阀值时,内存访问模块直接分次读取目的地址的数据,并写到CPU侧。
在上述技术方案的基础上,所述控制寄存器包括控制CF卡接口协议控模块的CF卡控制器,CF卡控制器包括模块寄存器、指令先入先出队列寄存器、读先入先出队列寄存器和写先入先出队列寄存器;若是PIO读指令,将CF卡返回的数据存放在读先入先出队列寄存器中;若是PIO写指令,由软件先配置指令先入先出队列寄存器,再配置写先入先出队列寄存器,最后该数据反映在接口时序。
在上述技术方案的基础上,所述控制寄存器包括控制CF卡接口协议控模块的CF卡控制器,CF卡控制器包括模块寄存器,对于Ultra直接内存访问类指令,通过控制CF卡控制器配置直接内存访问模块最大总线突发传输长度、CPU侧存储地址和本次传输数据长度。
本发明的有益效果在于:
1、CFMaster(CF卡接口协议)模块实现PATA的接口功能,在控制寄存器中的CF卡控制器控制下,组合出PIO(parallelinputoutput,并行输入输出)、DMA(DirectMemoryAccess,直接内存访问)等指令对应的接口时序,实现标准的PATA模式,从而实现了对CF卡设备的控制,可用于其他ATA/ATAPI设备。
2、控制寄存器中的CF卡控制器包括模块寄存器、指令FIFO(FirstInputFirstOutput,先入先出队列)寄存器、读FIFO寄存器和写FIFO寄存器,模块寄存器用于配置接口时序、各个FIFO深度、FIFO阀值,以及具有传输完成、异常结束传输等状态上报的功能;各个FIFO寄存器是访问各个FIFO的接口,用来连续写入指令,缓存传输数据,提高传输效率。
3、DMA模块能够实现并主动发起CF卡内数据与CPU侧内存中数据的交互,能够支持一段时间的空闲后,定时发起数据更新。
附图说明
图1为本发明实现PCIe接口转CF卡接口的FPGA芯片使用状态示意图;
图2为本发明实现PCIe接口转CF卡接口的FPGA芯片的结构示意图;
图3为图2中DMA模块的详细结构示意图。
附图标记:
FPGA芯片1,CPU2,CF卡3,
PCIeIP核模块11,适配模块12,DMA模块13,CFMaster模块14,控制寄存器15;
第一接口131,第二接口132,发送方向控制器133,FIFO模块134,接收方向控制器135,DMA控制器151,CF控制器152。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示,本发明实现PCIe接口转CF卡接口的FPGA芯片1,分别连接CPU2和CF卡3,用于实现PCB板上CPU2的PCIe接口下挂载CF卡存储设备,或者单独PCB小板卡实现PCIe接口转CF接口功能。其中,CPU2通过PCIe接口与FPGA芯片1相连,CF卡3通过CF卡接口与FPGA芯片1相连,CF卡接口符合PATA(接口协议的定义。为了方便CF卡3的连接,CF卡接口通常采用CF卡插槽的形式,内插CF卡3,可以连接PCB信号与CF卡3管脚信号。
如图2所示,本发明实现PCIe接口转CF卡接口的FPGA芯片1,可以采用带有PCIeIP硬核的FPGA型号作为基础,如Altera、Xilinx公司的多款不同档次的FPGA均满足要求。所述FPGA芯片1包括PCIeIP核模块11、适配模块12、DMA(DirectMemoryAccess,直接内存访问)模块13、CFMaster模块14和控制寄存器15,PCIeIP核模块11与CPU2连接,用于向CPU提供标准PCIe接口。其中,PCIeIP核模块11的接口总线根据所选的基础FPGA有所不同,对于Altera公司的FPGA,接口为Avalon总线;对于Xilinx公司的FPGA,接口为AXI总线,本实施例中以Altera公司的FPGA为例。所述适配模块12挂接在PCIeBar0(PCIe基地址)空间,用于PCIeIP核模块11的接口总线到本地总线的适配。DMA模块13连接PCIeIP核模块11模块,用于发起CF卡与CPU之间的数据传输。CFMaster模块14分别与DMA模块13相连,用于向CF卡提供满足PATA的接口。控制寄存器15通过适配模块12挂接在PCIeBar0下,用于接收适配模块12发来的寄存器命令,还用于连接并控制DMA模块13和CFMaster模块14。更详细的,控制寄存器15包括控制DMA模块13的DMA控制器151,还包括控制CFMaster模块14的CF卡控制器152。
如图3所示,所述DMA模块13包括与PCIeIP核模块11对应的第一接口131(Master为AXI/Avalon)、与CFMaster模块14对应的第二接口132(Master为AHB),还包括发送方向控制器133(TXCtrl)、接收方向控制器135和FIFO(FirstInputFirstOutput,先入先出队列)模块134,FIFO模块134包含两个FIFO,分别是发送方向FIFO、接收方向FIFO,发送方向FIFO用于存储所述需要写入CF卡的数据;接收方向FIFO用于存储所述从CF卡中读取的数据。发送方向控制器133用于控制DMA模块13,由PCIeIP核模11块读取需要写入CF卡的数据,即,DMA模块13主动从CPU侧的存储器读取需要写入CF卡的数据。需要写入CF卡的数据存储至FIFO模块134中的发送方向FIFO,当发送方向FIFO中存储的数据量达到AHBBurst(AdvancedHigh-performanceBus总线突发传输)长度时,向CFMaster模块14发起数据传输,完成传输后中断通知CPU,传输过程中释放CPU。接收方向控制器135用于控制DMA模块13,读取CFMaster模块14从CF卡中读取的数据,并存储至FIFO模块134中接收方向FIFO,具体为:CFMaster模块14从CF卡中读取的数据达到AHBBurst长度时,CFMaster模块14通过信号通知DMA模块13,DMA模块通过第二接口132主动发起AHB接口读数据传输,从CFMaster模块14中获取数据并存储在FIFO模块134中。当接收方向FIFO中的数据量达到PCIeIP核模块对应的接口总线(例如AvalonBurst)长度时,通过PCIeIP核模块11写入数据到CPU侧的存储器,完成传输后中断通知CPU,传输过程中释放CPU。
所述CFMaster模块14实现PATA接口的功能,包括PIO读写,DMA读写,设备识别等指令操作,实现了PATA模式,从而实现了对CF卡(也可以是其他ATA/ATAPI)设备的控制。所述控制寄存器15中的CF卡控制器152还包括模块寄存器、指令FIFO寄存器、读FIFO寄存器和写FIFO寄存器,模块控制寄存器用于配置接口时序、各个FIFO深度、FIFO阈值等参数的配置,以及具有传输完成、异常结束传输等状态上报的功能,各个FIFO寄存器(指令FIFO寄存器、读FIFO寄存器和写FIFO寄存器)是访问各个FIFO(位于CFMaster模块14中)的接口,用来连续写入指令、缓存传输数据、提高传输效率。
如图1至图3,本发明实现PCIe接口转CF卡接口的方法,具体包括以下两个部分:
对于PIO类指令(是CF接口中定义的一类数据传输模式,主要用于协议相关的指令传输,也可用于数据传输,属于低速的传输方式的数据传输),控制寄存器15中的CF控制器152控制CFMaster模块14中的指令FIFO寄存器,CFMaster模块14会根据配置的指令内容组成相应的CF卡接口指令时序,若是PIO读指令,将CF卡返回的数据存放在CFMaster模块14中的读FIFO寄存器内;若是PIO写指令,由软件先配置指令FIFO寄存器后,配置写FIFO寄存器,最后CFMaster模块14将该数据反映在CF卡3的接口时序上。
对于UltraDMA类指令,通过控制寄存器15控制DMA模块13实现大块数据的高效传输,通过软件配置控制寄存器15中的DMA控制器151,设置最大burst(总线突发传输)长度、CPU侧存储地址和本次传输数据长度,软件打开DMA控制器151中控制DMA模块13的工作开关,DMA模块13等待CFMaster模块14给出的数据/空间准备好的请求。配置控制寄存器15中CF控制器152,控制CFMaster模块14发送UltraDMA传输指令,若是向CF卡写数据的指令,在CF卡控制器152的写FIFO寄存器中数据量低于阀值时,CFMaster模块14通过tx_req信号通知DMA模块13,DMA模块13开始主动从CPU侧存储目的地址,按照AvalonBurst(Avalon总线突发传输)长度分次读取数据,并主动将数据写入写FIFO寄存器中,进而CFMaster模块14将这些数据按照CF接口时序写入CF卡。若是CF卡读数据的指令,则CFMaster模块14发起CF接口时序读取CF卡中目的地址的数据,并存入CF卡控制器152的读FIFO寄存器中,当储存数据量高于阀值时,DMA模块13按照AHBBusrt长度分次读取读FIFO寄存器以获取数据,并主动将这些数据写到CPU侧存储目的地址。一个UltraDMA指令通常需要多个burst才能完成数据传输,在这个传输过程中由DMA主动发起,释放CPU提高了系统效率。
本发明不局限于上述实施方式,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种实现PCIe接口转CF卡接口的FPGA芯片,分别连接CPU和CF卡,其特征在于,包括:
PCIeIP核模块,用于向CPU提供标准PCIe接口;
适配模块,用于PCIeIP核模块的接口总线到本地总线的适配;
直接内存访问模块,与PCIeIP核模块连接,用于发起CF卡与CPU之间的数据传输;
CF卡接口协议模块,与直接内存访问模块连接,用于向CF卡提供满足并行硬盘接口技术的接口;
控制寄存器,通过适配模块挂接在PCIe基地址空间下,用于控制直接内存访问模块和CF卡接口协议控模块。
2.如权利要求1所述实现PCIe接口转CF卡接口的FPGA芯片,其特征在于:所述PCIeIP核模块的接口总线为Avalon总线或AXI总线。
3.如权利要求1所述实现PCIe接口转CF卡接口的FPGA芯片,其特征在于:所述控制寄存器包括控制直接内存访问模块的直接内存访问控制器,以及控制CF卡接口协议控模块的CF卡控制器。
4.如权利要求3所述实现PCIe接口转CF卡接口的FPGA芯片,其特征在于:所述直接内存访问模块包括发送方向控制器、接收方向控制器和先入先出队列模块,发送方向控制器用于控制直接内存访问模块由PCIeIP核模块读取需要写入CF卡的数据,接收方向控制器用于控制直接内存访问模块,读取CF卡接口协议模块从CF卡中读取的数据,先入先出队列模块包括两个先入先出队列,分别用于存储所述需要写入CF卡的数据和所述从CF卡中读取的数据。
5.如权利要求4所述实现PCIe接口转CF卡接口的FPGA芯片,其特征在于:在用于存储需要写入CF卡的数据的先入先出队列中,当数据量达到总线突发传输长度时,向CF卡接口协议模块发起数据传输。
6.如权利要求4所述实现PCIe接口转CF卡接口的FPGA芯片,其特征在于:在用于存储从CF卡中读取的数据的先入先出队列中,当数据量达到与PCIeIP核模块对应的接口总线长度时,由直接内存访问模块通过PCIeIP核模块写入数据到CPU。
7.如权利要求4所述实现PCIe接口转CF卡接口的FPGA芯片,其特征在于:所述控制寄存器中的CF卡控制器还包括模块寄存器、指令先入先出队列寄存器、读先入先出队列寄存器和写先入先出队列寄存器,模块控制寄存器用于配置接口时序、各个先入先出队列深度、先入先出队列阀值。
8.一种基于权利要求1所述FPGA芯片的实现PCIe接口转CF卡接口的方法,其特征在于,包括:
对于PIO类指令,控制寄存器控制CF卡接口协议模块,将指令内容组成相应的CF卡接口指令时序,若是PIO读指令,将CF卡返回的数据存放在控制寄存器中,通过读取控制寄存器获取数据;若是PIO写指令,将该数据反映在接口时序;
对于Ultra直接内存访问类指令,通过控制寄存器控制直接内存访问模块,设置最大总线突发传输长度、CPU侧存储地址和本次传输数据长度,直接内存访问模块等待CF卡接口协议模块给出的数据/空间准备好的请求,控制寄存器控制CF卡接口协议模块发送Ultra直接内存访问传输指令;若是向CF卡写数据的指令,在控制寄存器存储数据量低于阀值时,直接内存访问模块从CPU侧读取数据,并存储在控制寄存器,通过CF卡接口协议模块按照CF接口时序写入CF卡;若是CF卡读数据的指令,则CF卡接口协议模块读取CF卡中目的地址的数据,并储存在控制寄存器中,当储存数据量高于阀值时,内存访问模块直接分次读取目的地址的数据,并写到CPU侧。
9.如权利要求8所述实现PCIe接口转CF卡接口的方法,其特征在于:所述控制寄存器包括控制CF卡接口协议控模块的CF卡控制器,CF卡控制器包括模块寄存器、指令先入先出队列寄存器、读先入先出队列寄存器和写先入先出队列寄存器;若是PIO读指令,将CF卡返回的数据存放在读先入先出队列寄存器中;若是PIO写指令,由软件先配置指令先入先出队列寄存器,再配置写先入先出队列寄存器,最后该数据反映在接口时序。
10.如权利要求8所述实现PCIe接口转CF卡接口的方法,其特征在于:所述控制寄存器包括控制CF卡接口协议控模块的CF卡控制器,CF卡控制器包括模块寄存器,对于Ultra直接内存访问类指令,通过控制CF卡控制器配置直接内存访问模块最大总线突发传输长度、CPU侧存储地址和本次传输数据长度。
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