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PCIe数据采集系统详解

news 来源：原创 2025/6/21 1:34:15

PCIe数据采集系统详解

        在上篇文章中，废了老大劲儿我们写出了PCIe数据采集系统；其中各个模块各司其职，相互配合。完成了从数据采集到高速存储到DDR3的全过程。今天我们呢就来详细讲解他们之间的关系？以及各个模块的关键点？他们到底是怎么协同工作的？

总体模块图

各模块关键点

1. 在第一个时钟管理模块

有用到：差分时钟缓冲器，MMCM，全局时钟缓冲器

差分时钟缓冲器将PCIe的差分信号转换为单端信号展示，输出但不单列；

MMCM产生 pcie_user_clk_bufg 和 ddr3_user_clk_bufg ，同时产生 pll_locked锁存；

全局时钟缓冲器将pcie_user_clk_bufg 和 ddr3_user_clk_bufg原语应用于全局网络并输出相应信号；

2.在第二个系统控制模块

其主要目的是实现将异步复位信号同步，输出三个复位信号（系统，PCIe，DDR3；均使用了两个同步寄存器打拍同时配合PLL锁存信号）优势有以下：

  1. 消除亚稳态风险，提高系统稳定性。
  2. 简化时序分析，降低设计实现难度。
  3. 精确控制复位释放时序，确保多时钟域系统协调工作。
  4. 增强抗干扰能力，避免复位毛刺引发的问题。

在该模块体现为：确保 PCIe 模块在其专用时钟（pcie_user_clk）稳定后同步释放复位，避免 PCIe 链路初始化错误；控制 DDR3 控制器的复位时序，配合 DDR3 初始化校准流程（init_calib_complete信号），确保内存控制器正确启动。

并且该模块输入一些系统标志如：pcie_perst_n（PCIe物理层复位）；init_calib_complete（DDR3初始化完成标志）等，以供相应模块使用，在本系统控制模块未处理，但是经由属于系统的控制部分所以列出。

接收系统状态和错误标志，通过 LED 实时显示

3.第三个PCIe模块

出现了user_clk(125M)user_clk(125M）user_clk(125M）use从r_clk(125M

必须与第一个时钟管理模块进行区分的是：pcie_user_clk(125M);

  • pcie_user_clk 是系统为 PCIe 模块提供的时钟源。
  • user_clk 是 PCIe IP 核向用户逻辑输出的同步时钟，确保数据在用户逻辑和 PCIe 之间正确传输。

  • user_clk的特殊作用：PCIe IP 核内部会根据链路状态（如 Gen1/Gen2/Gen3）动态调整时钟相位和频率。user_clk是 IP 核内部同步后的时钟，确保与 PCIe 事务时序（非事务层）严格对齐。

PCIe 端点模块的内部结构: PCIe 端点 IP 核通常包含：

  • 物理层（PHY）：处理电气信号，使用参考时钟（如 100MHz 差分时钟）。
  • 链路层 / 事务层：处理 TLP（事务层包），使用系统提供的pcie_user_clk。
  • 用户接口：提供与用户逻辑通信的时钟（即user_clk）。

在该模块中，输入的是差分信号与复位信号；主要输出用户时钟，MMIO接口与链路完成标志。

数据通道采用 128 位宽接口（PCIe Gen2 标准），带字节使能控制；

    // 参数定义：PCIe基地址寄存器(BAR)大小parameter BAR0_SIZE = 16'h1000;   // 4KBparameter BAR1_SIZE = 16'h4000;   // 16KB// 内部信号wire        pcie_clk;             // PCIe时钟wire        pcie_rst_n;           // PCIe复位 (低有效)wire [63:0] cfg_dw0, cfg_dw1, cfg_dw2, cfg_dw3; // 配置空间数据字
  1. BAR 寄存器：定义 PCIe 配置空间中内存映射区域的大小
  2. 配置空间：PCIe 设备通过 64 字节配置空间向主机暴露参数

PCIe 设备通过一个256 字节的配置空间向主机暴露自身参数，类似一个 "设备档案"。
主机通过读取这个空间了解设备信息（如厂商、功能、支持的 BAR 数量等），并配置设备行为。

  1. 前 64 字节（标准头）：所有 PCIe 设备必须实现，包含通用信息

    • 设备标识：Vendor ID、Device ID、Class Code 等
    • 基地址寄存器 (BAR)：定义设备可访问的内存 / IO 空间，存储主机分配给设备的基地址
    • 中断配置：IRQ 线、MSI/MSI-X 支持

  2. 后 192 字节：可选扩展区域，用于高级功能（如 PCIe 能力结构）

为什么需要 BAR？

  1. 地址解耦：设备无需预先知道主机分配的地址，通过 BAR 动态映射
  2. 资源管理：主机可根据系统情况灵活分配地址空间
  3. 多设备共存：多个 PCIe 设备可共享同一地址空间，通过 BAR 区分
  4. 安全隔离：主机可限制设备访问的地址范围，提高系统安全性

同时在MMIO控制器例化部分，实现了将 PCIe 事务转换为 FPGA 内部存储器读写操作（存储器映射）

PCIe 初始化流程详解

PCIe 设备初始化需要完成复杂的状态转换，代码中的状态机对应以下关键阶段：

  1. 复位阶段 (INIT_RESET)

    • 等待系统复位释放
    • 初始化内部计数器和标志位

  2. 链路训练阶段 (INIT_WAIT_LT)

    • 监测link_up信号，确认物理层连接建立
    • 超时处理防止链路训练失败导致的死锁

  3. 数据链路层初始化 (INIT_WAIT_DLL)

    • 等待数据链路层锁定（dll_up信号）
    • 建立可靠的数据传输通道

  4. 进入 L0 工作状态 (INIT_WAIT_L0)

    • 确认 LTSSM 状态机进入 L0 状态（正常工作状态）
    • 完成 PCIe 初始化的最后阶段

  5. 初始化完成 (INIT_COMPLETE)

    • 设置pcie_init_done标志，通知系统 PCIe 链路就绪
    • 持续监测链路状态，确保连接稳定

4.第四个MMIO控制器模块

输入了MMIO数据/地址，实现了 PCIe 总线与 FPGA 内部逻辑之间的 MMIO (存储器映射 I/O) 控制器，负责解析 PCIe 事务层包 (TLP) 并转换为内部寄存器访问。

在该模块编写中，就是使用了正常的always逻辑进行数据的解析打包与传输，没有任何技巧（简化了设计），同时定义了两个内存映射区域的基地址；提供了基础的 PCIe 到内部寄存器的映射功能，但缺少：

完整的TLP解析逻辑，BAR地址范围审查，背压机制（发送通道就绪时才能接收新数据），同时MMIO的错误清楚机制并没有撰写；后续可根据具体的项目要求改进。

示例代码如下：

module mmio_controller (input       clk,            // 用户时钟 (125MHz)input       reset_n,        // 复位信号// PCIe数据通道input [127:0] rx_data,      // 接收数据input [15:0]  rx_be,        // 接收字节使能input         rx_valid,     // 接收数据有效output        rx_ready,     // 接收准备好// 省略其他接口...// 新增错误处理接口input  [7:0]  error_flags,  // 外部错误标志输入output        mmio_clear_error, // 清除错误命令output [7:0]  active_errors // 当前活跃错误
);// 寄存器地址定义localparam ERROR_STATUS_REG = 32'h0000_0004; // 错误状态寄存器localparam ERROR_CLEAR_REG  = 32'h0000_0008; // 错误清除寄存器// 内部信号reg [31:0] mmio_addr_reg;reg        mmio_rd_reg, mmio_wr_reg;reg [127:0] mmio_wdata_reg;reg [7:0]   error_status;  // 错误状态寄存器reg         clear_error_cmd; // 清除错误命令暂存// 错误状态更新always @(posedge clk or negedge reset_n) beginif (!reset_n) beginerror_status <= 8'h00;end else begin// 错误标志可以被设置，但只能通过写清除寄存器清除error_status <= error_status | error_flags;// 处理错误清除命令if (mmio_wr_reg && (mmio_addr_reg == ERROR_CLEAR_REG)) beginerror_status <= error_status & (~mmio_wdata_reg[7:0]);endendend// 地址解码增强always @(posedge clk or negedge reset_n) beginif (!reset_n) beginmmio_addr_reg <= 0;mmio_rd_reg <= 0;mmio_wr_reg <= 0;mmio_wdata_reg <= 0;clear_error_cmd <= 0;end else if (rx_valid) begin// 解析PCIe接收数据中的MMIO地址和命令mmio_addr_reg <= rx_data[31:0];mmio_wdata_reg <= rx_data[127:32];mmio_rd_reg <= rx_data[128];mmio_wr_reg <= rx_data[129];// 检测错误清除命令clear_error_cmd <= mmio_wr_reg && (mmio_addr_reg == ERROR_CLEAR_REG);endend// 输出错误清除信号（脉冲有效）assign mmio_clear_error = clear_error_cmd;// 输出当前活跃错误assign active_errors = error_status;// 其他代码保持不变...
endmodule

5.第五个数据采集模块

输入了开始采集命令start_acq(ctrl)；输出标志是采集完成信号；

其功能是双通道采集数据，然后打包数据块进行输出，以适应于高速传输模式；

前面单独出过一篇文章来讲解。

6.第六个DMA引擎控制模块

输入的是用户时钟（125M），数据输入，DMA启动信号；主要输出DDR3的写数据；其核心功能是实现高速数据传输，将采集模块的缓冲区数据搬移到 DDR3。

本模块的关键点主要是突发模式的配置与高速传输状态接收

前面单独出过一篇文章来讲解。

7. 第七个DDR3控制器模块

输入的是时钟ddr3_user_clk(200M)，输出init_calib_complete信号，代表DDR3初始化校准完成就绪；

其功能是控制 DDR3 存储器的初始化、校准和数据读写。

实际上在代码编写时，主要是将Xilinx MIG IP 核在程序中例化，进而将DDR3物理层接口出现；

实现了用户接口和 MIG IP 核之间的信号转换

在第八个顶层模块中，实现了对前面模块的例化，同时创建了系统状态机用于协调管理各个模块，见上篇文章！！！

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编程日记 2025/5/27 8:22:44

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引言 在腾讯云开发者社区中&#xff0c;有多种MCP工具可以用于本系统的开发和优化中&#xff0c;以下是一些潜在的应用场景&#xff1a; ‌PDF解析工具‌&#xff1a;如pdfplumber等&#xff0c;可以用于规范文件的预处理&#xff0c;提取文本和图像信息。‌自然语言处理工具…...

编程日记 2025/5/22 2:16:27

matlab与python问题解析

Python requests乱码的五种解决办法 Python requests乱码的五种解决办法_requests.get乱码-CSDN博客 requests库post请求参数data、json和files的使用 requests库post请求参数data、json和files的使用_requests post data-CSDN博客 如何在浏览器中查看POST请求提交的数据内…...

编程日记 2025/5/29 16:59:09

【分布式锁通关指南 10】源码剖析redisson之MultiLock的实现

引言 本期我们将把目光聚焦在 Redisson 中另一个颇具代表性的分布式锁实现——MultiLock。它的核心思想是&#xff1a;一次性对多个独立的 RLock 进行加锁或解锁操作&#xff0c;只有当多个锁都成功加锁时才算真正完成锁的获取&#xff0c;一旦有任何一个失败&#xff0c;整体操…...

编程日记 2025/5/29 13:11:49

MySQL 8.0 OCP 1Z0-908 131-140题

Q131.You have upgraded the MySQL binaries from 5.7.28 to 8.0.18 by using an in-place upgrade. Examine the message sequence generated during the first start of MySQL 8.0.18: 。。。[System]。。。/usx/sbin/mysqld (mysqld 8.0.18-commercial) starting as process…...

编程日记 2025/5/29 13:38:04

实战解析MCP-使用本地的Qwen-2.5模型-AI协议的未来？

文章目录 目录 文章目录 前言 一、MCP是什么&#xff1f; 1.1MCP定义 1.2工作原理 二、为什么要MCP&#xff1f; 2.1 打破碎片化的困局 2.2 实时双向通信&#xff0c;提升交互效率 2.3 提高安全性与数据隐私保护 三、MCP 与 LangChain 的区别 3.1 目标定位不同 3.…...

编程日记 2025/5/29 12:00:03

从零开始学习three.js（20）：three.js实现天气与时间动态效果（白天，黑夜，下雨，下雪）

基于Three.js的天气与时间动态效果实现 本文将通过代码解析&#xff0c;介绍如何使用Three.js实现动态天气&#xff08;下雨、下雪&#xff09;和时间&#xff08;白天、黑夜&#xff09;切换效果。完整代码基于一个交互式天气模拟项目&#xff0c;支持粒子密度、速度和环境亮…...

编程日记 2025/5/17 5:58:50

sqli-labs靶场23-28a关（过滤）

目录 less23&#xff08;--过滤&#xff09; less24&#xff08;二次注入&#xff09; less25&#xff08;or过滤&#xff09; less25a&#xff08;or过滤&#xff09; less26&#xff08;--和空格过滤报错&#xff09; less26a&#xff08;--空格过滤盲注&#xff09; …...

编程日记 2025/5/22 0:30:54

Sigmoid与Softmax：从二分类到多分类的深度解析

Sigmoid与Softmax：从二分类到多分类的深度解析 联系 函数性质：二者都是非线性函数 ，也都是指数归一化函数，可将输入值映射为0到1之间的实数 ，都能把输出转化成概率分布的形式，在神经网络中常作为激活函数使用。Softmax是Sigmoid的推广：从功能角度看，Softmax函数可视为…...

编程日记 2025/5/29 16:52:55

uni-app x正式支持鸿蒙原生应用开发

DCloud发布的HBuilderX 4.64正式版&#xff0c;支持编译uni-app x项目到鸿蒙平台&#xff0c;实现跨平台开发鸿蒙原生应用。至此&#xff0c;uni-app x 已经完成Android、iOS、鸿蒙、Web、微信小程序等主流平台全覆盖。 uni-app x&#xff0c;是下一代 uni-app&#xff0c;是一…...

编程日记 2025/5/28 22:40:30