0 引言

    遙測(cè)、遙感以及雷達(dá)圖像信號(hào)具有精度高、數(shù)據(jù)快、容量大的特點(diǎn)，在飛行器飛行過(guò)程中無(wú)法做到實(shí)時(shí)分析和處理，而必須將采集到的數(shù)據(jù)以適當(dāng)?shù)姆绞酱鎯?chǔ)起來(lái)，待飛行任務(wù)結(jié)束后進(jìn)行回讀分析^[1]。隨著其傳輸速度和數(shù)據(jù)量的不斷增加，記錄儀的存儲(chǔ)容量也隨之增大。目前計(jì)算機(jī)常用的外部接口RS232、USB 2.0及以太網(wǎng)接口等^[3，4]已無(wú)法滿足記錄儀存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的快速讀取，而USB 3.0^[5]技術(shù)的出現(xiàn)無(wú)疑解決了這一問(wèn)題。USB 3.0協(xié)議向下兼容其他版本，并提供了超速模式，其理論最高傳輸速率可達(dá)5 Gb/s。本文以某高速大容量機(jī)載雷達(dá)數(shù)據(jù)記錄儀為例^[6]，針對(duì)流水線技術(shù)構(gòu)建的高速大容量存儲(chǔ)陣列，設(shè)計(jì)了一種基于USB3.0的高速讀數(shù)接口。

1 高速大容量存儲(chǔ)系統(tǒng)概述

    高速大容量數(shù)據(jù)記錄儀結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，系統(tǒng)主要完成18 bit LVDS形式的數(shù)據(jù)(包括16 bit并行數(shù)據(jù)、1 bit時(shí)鐘信號(hào)和1 bit寫(xiě)使能信號(hào))的實(shí)時(shí)接收、FIFO緩存、Flash流水線存儲(chǔ)以及USB 3.0數(shù)據(jù)上傳。16 bit并行數(shù)據(jù)傳輸速率為120 MB/s，LVDS數(shù)據(jù)經(jīng)LVDS接口電路轉(zhuǎn)換為T(mén)TL電平以及數(shù)字隔離處理后輸入到FPGA，在FPGA內(nèi)部Flash控制器的控制下寫(xiě)入Flash存儲(chǔ)整列中；記錄儀記錄完成后，若需要讀數(shù)時(shí)，可通過(guò)USB 3.0接口將存儲(chǔ)陣列中的數(shù)據(jù)快速上傳至計(jì)算機(jī)。

    系統(tǒng)存儲(chǔ)模塊采用16片NAND型Flash芯片K9WBG08U1^[7，8]構(gòu)建成4×4存儲(chǔ)陣列，每組4片F(xiàn)lash，采用了8級(jí)流水線操作進(jìn)行字?jǐn)U展，最快存儲(chǔ)速率可達(dá)39.96 MB/s。4組Flash進(jìn)行位擴(kuò)展組成數(shù)據(jù)寬度為32 bit、存儲(chǔ)容量共64 GB的存儲(chǔ)陣列，F(xiàn)lash存儲(chǔ)陣列存儲(chǔ)速度最高可達(dá)39.96×4=159.85 MB/s。存儲(chǔ)陣列結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

2 USB 3.0讀數(shù)接口設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)采用基于CYUSB3014的USB 3.0接口實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信。CYUSB3014是新一代USB 3.0外設(shè)控制器^[9]，其有32個(gè)物理端點(diǎn)，支持USB 3.0和USB 2.0設(shè)備以及2.0版的高速移動(dòng)（HS-OTG）主機(jī)和外設(shè)。CYUSB3014有3種接口模式，即通用I/O口模式、從設(shè)備（Slave FIFO）接口模式和GPIF主設(shè)備接口模式。高速數(shù)據(jù)傳輸采用后兩種模式。本設(shè)計(jì)采用同步Slave FIFO接口模式^[7，8]，F(xiàn)PGA作為邏輯控制器，CYUSB3014作為從設(shè)備。FPGA與CYUSB3014的連接如圖3所示。

    圖3中SLCS為片選信號(hào)，低電平有效；SLWR為從設(shè)備寫(xiě)入選通，低電平有效（寫(xiě)操作：由FPGA至CYUSB3014）；SLRD為從設(shè)備讀取選通，低電平有效（讀操作：由CYUSB3014至FPGA）；SLOE為從設(shè)備輸出使能，低電平有效，激活該信號(hào)則CYUSB3014數(shù)據(jù)總線被驅(qū)動(dòng)。A1和A0兩位地址線用來(lái)選擇從設(shè)備CYUSB3014上的線程，F(xiàn)PGA主控先驅(qū)動(dòng)這兩位地址線，然后激活讀選通或?qū)戇x通，由于USB 3.0讀數(shù)接口將數(shù)據(jù)記錄儀的數(shù)據(jù)回傳至計(jì)算機(jī)，需用到CYUSB3014的讀FIFO和寫(xiě)FIFO兩個(gè)過(guò)程，所以必須創(chuàng)建兩個(gè)線程；當(dāng)A1:A0=0時(shí)，選擇線程0，用于寫(xiě)過(guò)程；當(dāng)A1:A0=1時(shí)，選擇線程1，用于讀過(guò)程。FLAGA和FLAGB為CYUSB3014端點(diǎn)緩沖器狀態(tài)標(biāo)志位，可以配置為空、滿、局部空或局部滿狀態(tài)；FLAGA專(zhuān)用于線程0，而FLAGB專(zhuān)用于線程1。PKTEND是數(shù)據(jù)包結(jié)束信號(hào)，低電平有效，可將短數(shù)據(jù)包或零長(zhǎng)度數(shù)據(jù)包寫(xiě)入從設(shè)備FIFO內(nèi)。PCLK是FPGA提供給CYUSB3014的FIFO接口時(shí)鐘，D[32:0]為32 bit數(shù)據(jù)線。

    同步Slave FIFO寫(xiě)序列如圖4所示，單次寫(xiě)操作步驟如下：

    (1)主設(shè)備先驅(qū)動(dòng)FIFO地址“An”，然后激活SLCS信號(hào)，主設(shè)備將它的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)到數(shù)據(jù)總線上。

    (2)激活SLCS后，主設(shè)備將在下一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)激活SLWR。

    (3)激活SLWR時(shí)，主設(shè)備會(huì)將數(shù)據(jù)寫(xiě)入到FIFO內(nèi)，并且FIFO指針會(huì)在PCLK的上升沿上遞增。從時(shí)鐘的上升沿算起，經(jīng)過(guò)3個(gè)時(shí)鐘周期以及tCFLG的延時(shí)，F(xiàn)IFO標(biāo)志將被更新。

    對(duì)于連續(xù)寫(xiě)入模式，主設(shè)備在整個(gè)寫(xiě)入過(guò)程中持續(xù)激活SLWR和SLCS。主設(shè)備激活SLWR后，每當(dāng)PCLK的上升沿到來(lái)時(shí)，數(shù)據(jù)總線上的數(shù)值都被寫(xiě)入到FIFO中。通過(guò)PKTEND信號(hào)，可主動(dòng)將某個(gè)短數(shù)據(jù)包發(fā)送給USB主機(jī)。如果激活PKTEND但不激活SLWR脈沖，就生成ZLP（零長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)包）；同時(shí)激活PKTEND和SLWR時(shí)，CYUSB3014的GPIF II狀態(tài)機(jī)會(huì)將數(shù)據(jù)包作為一個(gè)短數(shù)據(jù)包，并將其發(fā)送到USB接口。

3 USB3.0接口主要程序設(shè)計(jì)

3.1 CYUSB3014固件程序設(shè)計(jì)

    為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向傳輸，創(chuàng)建2個(gè)DMA通道作為生產(chǎn)者的套接字和作為消費(fèi)者的套接字，并分別分配4倍緩沖區(qū)大小。由于USB 3.0模式下單個(gè)緩沖區(qū)大小為1 024 B，故套接字緩沖區(qū)大小為4×1 024 B，可實(shí)現(xiàn)高吞吐量性能。通過(guò)外部邏輯控制器控制每次傳輸數(shù)據(jù)量，可避免使用局部FLAG。

    按照?qǐng)D3定義好的FPGA與CYUSB3014的連接，利用GPIF Designer II軟件進(jìn)行接口設(shè)置，GPIF II接口定義如圖5所示。圖中CLK即為FPGA提供給CYUSB3014的時(shí)鐘，Databus為16 bit數(shù)據(jù)總線，Addressbus為用于線程選擇的2 bit地址線，F(xiàn)LAGA專(zhuān)用于線程0，而FLAGB專(zhuān)用于線程1。

    GPIF II提供256種固件可編程狀態(tài)，可在狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)界面進(jìn)行狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)。本應(yīng)用中狀態(tài)機(jī)如圖6所示，共有6個(gè)狀態(tài)，分別為RESET(初始態(tài))、READ(讀FIFO)、WRITE(寫(xiě)FIFO)、ZLP(零長(zhǎng)度數(shù)據(jù)包)、SHORT_PKT(短數(shù)據(jù)包)、IDLE(空閑態(tài))。對(duì)于來(lái)自初始態(tài)的所有轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換公式被固定為L(zhǎng)OGIC_ONE。

    寫(xiě)FIFO過(guò)程如下：每當(dāng)FLAGA=1，外部邏輯控制器可向CYUSB3014寫(xiě)入數(shù)據(jù)，CYUSB3014進(jìn)入WRITE狀態(tài)需滿足SLCS=0、SLWR=0、PKTEND=1、SLRD=1。在WRITE狀態(tài)CYUSB3014完成IN_ADDR和IN_DATA兩個(gè)操作。通過(guò)IN_ADDR操作，GPIF硬件采樣來(lái)自地址總線的值，并使用它選擇DMA線程。通過(guò)IN_DATA操作對(duì)來(lái)自數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，然后將其轉(zhuǎn)移到所指定的位置(DMA通道或固件應(yīng)用)。在ZLP狀態(tài)和SHORT_PKT狀態(tài)，通過(guò)COMMIT操作可強(qiáng)制緩沖器/數(shù)據(jù)包結(jié)束。寫(xiě)FIFO過(guò)程仿真時(shí)序如圖7所示。

3.2 FPGA程序設(shè)計(jì)

    記錄儀采集到的數(shù)據(jù)以8級(jí)流水線方式寫(xiě)入到Flash存儲(chǔ)陣列，即在寫(xiě)入過(guò)程中同時(shí)對(duì)4組Flash執(zhí)行頁(yè)編程操作，故Flash陣列數(shù)據(jù)讀寫(xiě)的基本單位的容量為4×4 KB=16 KB，數(shù)據(jù)寬度為4×8 bit=32 bit。為了保證讀出數(shù)據(jù)與寫(xiě)入數(shù)據(jù)完全一致，同樣采用流水線的方式對(duì)Flash存儲(chǔ)陣列中4組存儲(chǔ)單元執(zhí)行讀數(shù)操作。在FPGA內(nèi)部建立一個(gè)容量為4 096×32 bit=128 Kbit的FIFO，F(xiàn)IFO數(shù)據(jù)端設(shè)置為32 bit，32 bit輸出，深度為4 096。K9WBG08U1M的單個(gè)字節(jié)的讀取速度最快為25 ns。當(dāng)記錄儀執(zhí)行讀數(shù)操作時(shí)，數(shù)據(jù)寫(xiě)入FIFO，一旦FIFO滿后，F(xiàn)IFO滿標(biāo)志位有效，同時(shí)使FIFO寫(xiě)使能無(wú)效以及Flash存儲(chǔ)陣列停止讀操作，當(dāng)CYUSB3014的SLWR位檢測(cè)到FIFO的滿標(biāo)志位后，使FIFO讀使能有效，開(kāi)始將FIFO中的數(shù)據(jù)寫(xiě)入CYUSB3014中。本設(shè)計(jì)中Flash的讀寫(xiě)時(shí)鐘設(shè)置為30 MHz，GPIF接口時(shí)鐘設(shè)置為80 MHz。

    使用ModelSim軟件對(duì)讀數(shù)過(guò)程進(jìn)行功能仿真，結(jié)果如圖8所示。讀數(shù)過(guò)程通過(guò)A1：A0=0選擇線程0，F(xiàn)LAGA用于監(jiān)視當(dāng)前線程的狀態(tài)，當(dāng)FLAGA為1時(shí)表示非滿。SLCS一直為低電平有效狀態(tài)，當(dāng)SLWR為低電平時(shí)，F(xiàn)PGA可向CYUSB3014寫(xiě)入數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)在時(shí)鐘上升沿寫(xiě)入CYUSB3014套接字緩沖區(qū)，緊接著CYUSB3014啟動(dòng)DMA通道，當(dāng)緩沖區(qū)寫(xiě)滿數(shù)據(jù)后，F(xiàn)LAGA下拉至低電平，相應(yīng)的DMA回調(diào)函數(shù)被調(diào)用，數(shù)據(jù)從U端口上傳至計(jì)算機(jī)。

4 分析與測(cè)試

    將記錄儀連接至計(jì)算機(jī)，打開(kāi)Cypress公司提供的速率測(cè)試工具C++ Streamer，并按照CYUSB3014固件程序進(jìn)行配置，利用該軟件對(duì)USB3.0接口讀數(shù)過(guò)程速率進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖9所示，平均速率達(dá)到123 200 KB/s（約120 MB/s）。按照此速率，此高速大容量記錄儀存儲(chǔ)的海量數(shù)據(jù)能夠快速回傳至上位機(jī)。

5 結(jié)束語(yǔ)

    本文主要介紹了一種高速大容量機(jī)載雷達(dá)數(shù)據(jù)記錄儀，針對(duì)流水線技術(shù)構(gòu)建的高速大容量存儲(chǔ)陣列，設(shè)計(jì)了一種基于USB 3.0的高速讀數(shù)接口。USB 3.0采用Slave FIFO接口模式，詳細(xì)介紹了GPIF II狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)，利用數(shù)據(jù)記錄儀FPGA作為外部主控制器。在該應(yīng)用中，USB 3.0接口速率可達(dá)120 MB/s，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的快速讀取，為高速大容量存儲(chǔ)系統(tǒng)的快速讀數(shù)提供了一種全新的手段，且具有一定的通用性，可以擴(kuò)展到所有類(lèi)似Flash存儲(chǔ)系統(tǒng)中，具有一定的使用價(jià)值。

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