基于PCI總線的HOTLink通訊卡設計

咸陽市公安消防支隊 姚 嫚

Hotlink技術是CYPRESS公司提供的一種高速背板串行數據傳輸技術，傳輸碼率為150Mbit/S—400Mbit/S，符合DVB-ASI、ATM、SMPTE-259M以及ESCON等標準，其產品可用于構建上述標準的通訊產品物理層，支持同軸電纜、雙絞線以及光纖接口，傳輸距離與傳輸介質有關，例如Hotlink系列中應用比較廣泛的CY7B923/933收發器，在不加任何補償電路、330Mbit/S傳輸速率的情況下，使用50歐姆同軸電纜最大傳輸距離為35m，使用75歐姆同軸電纜最大傳輸距離可達150m，若使用光纖傳輸則可以達到數十千米以上或更遠距離[1]。由于具有速度高、支持多種傳輸介質的優點，目前CYPRESS公司的Hotlink系列產品在高速圖像傳輸[2]、光纖通信[1]、拖曳陣聲納數字傳輸[3，4]等領域得到廣泛應用。前述的HOTLink產品方案多為專用方案，使用HOTLink技術傳輸的數據無法直接用計算機進行處理及收發，而對傳輸數據的格式轉換等處理均采用專用硬件完成，不僅成本高而且靈活性較差。本文使用應用比較廣泛的HOTLink收發器CY7B923/933以及PCI橋芯片PCI9054設計了一種基于PCI總線的Hotlink通訊卡，支持光纖和銅纜兩種接口，通過PCI總線計算機可以直接對傳輸數據進行處理及收發，利用通用計算機靈活的優勢取代專用硬件完成傳輸數據的協議轉換、格式轉換、記錄等操作，并且還可為HOTLink產品的前期研發提供測試及驗證服務。

1.HOTLink通訊卡結構及硬件設計

CY7B923/933收發器是HOTLink系列產品中應用比較廣泛的產品，本文所設計的HOTLink通訊卡分別使用了CY7B923和CY7B933作為HOTLink的發送芯片和接收芯片，通過板上跳線可選擇銅纜和光纖兩種接口。通訊卡的總體結構如圖1所示，分為發送模塊、接收模塊以及PCI9054三個部分。

考慮到CY7B923/933收發器所能支持的最大傳輸速度為40MByte/s，而PCI9054所支持的最高時鐘頻率為33MHz，如果采用9位單FIFO的結構，PCI總線的一個時鐘周期僅能傳送一個字節的數據/協議信息，理論上的最高傳輸速率僅為33MByte/s，將會造成數據溢出，考慮到不同場合的應用需求，發送模塊和接收模塊均采用了雙9位FIFO并聯的模式，即一個時鐘周期可以傳輸兩個字節的數據/協議信息，位15-位0為雙字節數據，位17和位16分別表示高字節和低字節的內容類型，為1表示內容為協議信息，為0低表示內容為數據。相應的PCI9054的本地總線模式采用了32bit位寬模式。在CY7B923的數據手冊中指出外部時鐘源決定了數據傳輸的速度，并且在CY7B933的數據手冊中還特別要求外部時鐘源頻率誤差不得超過±0.1%。為了配合不同速率的數據收發應用，使用了直接數字頻率合成芯片AD9850來實現16MHz-40MHz的可變時鐘輸出，其精度為±1/232。

1.1 數據發送模塊

圖1 總體結構

圖2 數據發送模塊

圖3 數據接收模塊

圖4 數據發送模塊

發送模塊的硬件框圖如圖2所示。FIFO由兩片IDT72V2111并聯組成，總容量為524288*18bit，其數據輸入端掛接到本地數據總線上，本地地址總線和讀寫控制信號接入CPLD，即CPLD在FIFO未滿情況下允許PCI總線透過本地數據總線對FIFO寫入數據。FIFO的數據輸出端以及CY7B923數據輸入、ENN、ENA、CKW等發送控制信號也接入CPLD，即CPLD在FIFO非空的情況下讀取FIFO內的數據，并產生符合CY7B923發送控制邏輯的時序信號，將FIFO內的數據發送出去，直至FIFO變為空狀態。由于FIFO為兩片并聯，因此發送時需要順序讀取FIFO內的數據，時序控制由CPLD完成。

1.2 數據接收模塊

接收模塊的硬件框圖見圖3。同接收模塊一樣，FIFO由兩片IDT72V2111并聯組成，數據輸出端掛接到本地數據總線上，本地地址總線和讀寫控制信號接入CPLD，即CPLD在FIFO非空的情況下允許PCI總線透過本地數據總線對FIFO內數據進行讀取，直至FIFO變為空狀態。FIFO的數據輸入端、寫控制以及CY7B933的數據輸出、RVS、RDY、SC/D、RF等接收控制信號均接入CPLD，即FIFO在未滿狀態下允許CY7B933在CPLD的控制下將接收到的數據依次寫入兩片FIFO中，直至FIFO變為滿狀態。在編碼工作模式時，為了使CY7B933能夠在高速的串行數據流中正確的恢復出傳數據，需要外部控制器根據RVS（接收數據錯誤指示）的狀態來控制CY7B933所內置成幀器的啟動，根據CY7B933的數據手冊，當接收到的連續64個數據中出現16次數據錯誤即認為數據失步，此時外部控制器應該將RF置為高，使能內部成幀器，數據同步后，CY7B923的RDY將會變低，表示同步完成，進入數據接收狀態。上述邏輯也由CPLD完成。

1.3 PCI9054

PCI9054是PLX公司生產的PCI橋芯片，符合PCI總線規范2.2版，本地總線針對不同的處理器具有M、C、J三種模式，根據發送模塊及接收模塊的硬件接口及速度的要求，選擇了C模式，即地址總線和數據總線獨立，硬件結構見圖4。在通訊卡收發數據時，PCI9054[5]作為本地總線的主處理器，對接收模塊和發送模塊的FIFO分別進行讀操作和寫操作，讀操作和寫操作的邏輯握手信號分別有數據接收模塊和發送模塊的CPLD完成。本地總線控制仲裁用于本地總線控制權的裁定，由于通訊卡只有一個本地主機—PCI9054，因此該仲裁器使用了一片D觸發器，即PCI9054發出請求信號后，在下一個本地時鐘周期，仲裁器立即允許9054取得本地總線控制權。EEPROM用于系統啟動時PCI9054內部寄存器的初始化，即當計算機系統啟動時，9054自動加載EEPROM內容，初始化9054并向操作系統申請地址空間以及中斷資源。根據PCI9054數據手冊對EEPROM的要求及兼容列表，選擇了ATMEL公司的AT93C66A，其容量為4Kbit。

2.結論

本文給出了一種基于PCI總線的HOTLink通訊卡的設計方案，根據方案所開發的HOTLink通訊卡采用了與PCI總線兼容的PC104-PLUS總線，與一塊通用的PC104主板構成了一個數據記錄儀，成功應用于某型號裝備的數據記錄系統中，采用低成本的銅纜以200Mbps的速率進行傳輸，可靠距離可達20米，若使用光纜接口，距離可達1km。借助于靈活的通用計算機技術，本文所設計的HOTLink通訊卡除了作為數據采集外，還可以用作協議轉換（例如HOTLink與以太網互轉）、HOTLink節點控制，HOTLink產品開發及驗證。

[1]高進,謝艷,覃宗厚.基于FPGA的CY7B923/933復用/解復用器在光纖通信中的應用[J].光通信技術,2007,31(3):40-41.

[2]向冰.高速圖像串行總線傳輸[J].現代電子技術,2006,29(24):97-100.

[3]馮師軍,李啟虎,孫長瑜.拖線陣聲納數字式水下數據高速傳輸的設計[J].聲學技術,2007,26(3):362-366.

[4]包玉華,鄭劍鋒,馮師軍,蔣飚,孫長瑜.HOTLinkTM高速串口至以太網的聲納數據傳輸模塊設計[J].聲學技術,2003,2:369-370.

[5]朱惠靜.PCI9054及其在高速數據采集系統中的應用[J].國外電子測量技術,2008,27(2):72-74.