一种基于FPGA的PCIEDMA数据传输方法及系统与流程

本发明涉及pcie dma数据传输，具体为一种基于fpga的pcie dma数据传输方法及系统。

背景技术：

1、在现代电子系统和计算领域，高速数据传输技术是提升系统性能的关键因素之一，特别是在高性能计算(hpc)、数据中心、以及需求严苛的工业应用中，数据传输效率直接影响整个系统的响应速度和处理能力，近年来，随着fpga(现场可编程门阵列)技术的快速发展，其在数据传输领域的应用越来越广泛，fpga以其高度的可配置性、并行处理能力和较低的延迟优势，成为提升数据传输效率的理想选择，此外，pcie(外围组件互连快速版)接口作为一种高速串行计算机扩展总线标准，在现代计算机硬件中广泛应用，特别是其dma(直接内存访问)功能，能够在不占用cpu资源的情况下实现数据快速传输。

2、尽管fpga和pcie dma技术各自在数据传输领域已经取得了显著进展，但在将这两种技术结合应用于数据传输系统时，仍面临一些技术挑战和局限性，首先，现有技术在处理复杂数据传输任务时，往往存在数据传输效率不高、系统资源利用率低下的问题，特别是在数据量巨大、传输频繁的应用场景中，现有的数据传输方案难以满足高效率和低延迟的需求，其次，现有技术在dma控制和数据缓存管理方面缺乏灵活性和优化，导致数据传输过程中容易发生拥塞，增加了数据传输的不确定性和不稳定性，此外，现有的数据传输方案在实现上往往较为复杂，增加了系统设计和维护的难度。

技术实现思路

1、鉴于上述存在的问题，提出了本发明。

2、因此，本发明解决的技术问题是：现有的pcie dma数据传输方法存在传输效率低，延迟高，稳定性低，以及如何在主机侧和pcie板卡侧之间实现高效、稳定的数据传输控制和管理的问题。

3、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于fpga的pcie dma数据传输方法，包括初始化配置主机侧的pcie板卡驱动程序和pcie板卡侧的fpga程序；主机侧将数据传输至fpga，主机侧板卡驱动程序检查dma写控制缓存区的状态，将数据写入dma写数据缓存区，向fpga发送dma控制命令，fpga收到命令从指定的dma写数据缓存区读取数据；fpga侧将数据传输至主机，fpga检测dma读缓存区状态存储fifo状态，向主机发起数据写请求，主机侧板卡驱动程序通过监测dma读控制缓存区的状态进行数据读取。

4、作为本发明所述的基于fpga的pcie dma数据传输方法的一种优选方案，其中：所述主机侧的pcie板卡驱动程序包括定义dma控制结构体、申请dma控制缓存区、申请dma数据缓存区、中断服务程序、创建dma控制命令、通过pcie板卡进行交互程序；主机侧的pcie板卡驱动程序的dma控制结构体包括dma长度、dma缓存区编号、dma数据长度、dma状态四个变量共计16字节大小，dma控制缓存区分为dma读控制缓存区和dma写控制缓存区，dma读控制缓存区和dma写控制缓存区相互独立，且分别依次编号，分别将dma读控制缓存区的首地址和dma写控制缓存区的首地址写入pcie板卡bar空间；主机侧的pcie板卡驱动程序的中断服务程序响应pcie板卡的中断，pcie板卡中断分为dma写完成中断和dma读完成中断，两个中断的中断服务程序相互独立；主机侧的pcie板卡驱动程序的dma控制命令为32位宽，低16位存储dma数据长度，高16位存储dma数据缓存区编号。

5、作为本发明所述的基于fpga的pcie dma数据传输方法的一种优选方案，其中：所述pcie板卡侧的fpga程序包括bar空间控制程序、dma数据缓存区地址存储ram、dma控制命令存储fifo、dma写状态存储fifo、dma读缓存区状态存储fifo、中断控制程序、dma调度程序；pcie板卡侧的fpga程序的bar空间控制程序解析主机向bar空间不同地址写入的数据，根据地址进行不同处理，包括存储主机发送的dma控制缓存区首地址，将主机发送的dma数据缓存区首地址写入dma数据缓存区地址存储ram，将主机发送的dma控制命令写入dma控制命令存储fifo，将主机请求中断命令写入中断控制程序；pcie板卡侧的fpga程序的dma数据缓存区地址存储ram存储主机中申请的dma数据缓存区首地址；pcie板卡侧的fpga程序的dma控制命令存储fifo存储主机cpu向pcie板卡写入的dma控制命令；pcie板卡侧的fpga程序的中断控制程序根据dma调度程序状态及主机的中断命令向主机发送中断；驱动加载时，dma控制缓存区结构体申请两块dma内存，并分别初始化为连续多个dma写控制缓存区和dma读控制缓存区，将控制缓存区的dma状态变量初始化为空，将两块dma控制缓存区首地址写入pcie板卡bar空间，依次将dma读控制缓存区的状态变量写入pcie板卡bar空间，基于控制缓存区个数申请相同数量的dma写数据缓存区和dma读数据缓存区，且分别编号，将各dma数据缓存区首地址写入pcie板卡bar空间，pcie板卡fpga将主机写入的dma数据缓存区首地址写入dma数据缓存区地址存储ram中，将主机写入的dma读控制缓存区状态变量写入dma读控制缓存区状态存储fifo。

6、作为本发明所述的基于fpga的pcie dma数据传输方法的一种优选方案，其中：所述所述将数据写入dma写数据缓存区包括主机侧板卡驱动检查dma写控制缓存区的状态，将数据写入写数据缓存区，主机侧pcie板卡驱动向pcie bar空间写入dma控制命令，pcie板卡fpga将dma控制命令写入dma控制命令存储fifo,dma调度程序从dma控制命令存储fifo中读出dma控制命令，并根据dma控制命令信息从dma数据缓存区地址存储ram中读出相应写数据缓存区的首地址，并对主机发起读请求；当主机侧有数据需要从主机内存搬运至pcie板卡的fpga时，主机侧驱动依次查询当前dma写控制缓存区的dma状态变量是否为空，若为空，将数据搬运至当前dma写控制缓存区对应的dma写数据缓存区，将当前dma写控制缓存区的dma状态变量改为满，并向pcie板卡写入dma控制命令，pcie板卡fpga的bar空间控制程序将接收到的dma控制命令写入dma控制命令存储fifo；当dma调度程序检测到dma控制命令存储fifo不为空时，从dma控制命令存储fifo中读取dma控制命令，并根据dma控制命令中的缓存区编号信息从dma数据缓存区地址ram中读出相应的dma写数据缓存区首地址，通过dma控制命令中的dma长度信息对主机发送读请求包。

7、作为本发明所述的基于fpga的pcie dma数据传输方法的一种优选方案，其中：所述fpga收到命令从指定的dma写数据缓存区读取数据包括基于pcie协议，当主机cpu的pcie控制器收到pcie板卡发送的读请求时，回复带数据的完成包，fpga收到主机回复的完成包，将完成包的数据缓存区编号写入dma写状态存储fifo，当dma调度程序检测到dma写状态存储fifo不为空时，从dma写状态存储fifo中读出缓存区编号，基于缓存区编号和dma写控制缓存区首地址计算dma写数据缓存区对应的dma写控制结构体首地址，并对主机发起写请求，更新主机侧dma写控制结构体的dma状态变量为空；主机侧驱动申请dma写控制缓存区和dma写数据缓存区，主机cpu在将dma控制命令写入pcie板卡时，不等待当前dma完成数据搬运，将数据依次写入空闲的dma写数据缓存区，同时将对应dma控制命令写入pcie板卡bar空间，pcie板卡fpga中的dma调度程序通过dma控制命令存储fifo中的dma控制命令进行数据搬运，通过dma写状态fifo中存储的已完成数据搬运的写数据缓存区编号，更新主机侧对应的写控制缓存区中的dma状态变量为空；当主机侧板卡驱动程序向dma写数据缓存区写入数据的速度小于pcie板卡的dma搬运速度时，主机cpu没有任何查询等待时间，也没有pcie板卡中断；当主机侧板卡驱动程序向dma写数据缓存区写入数据的速度高于pcie板卡的dma搬运性能时，所有dma写控制缓存区中的dma状态变量全部为满，主机cpu向pcie板卡写入dma写中断使能命令，fpga中的中断控制程序对主机发送的dma写中断使能指令进行检测，fpga进行主机中dma写数据缓存区的数据搬运，更新dma写控制缓存区的dma状态变量后，向主机发送dma写中断，当主机收到中断，查询到有dma写控制缓存区的状态变量为空，继续向空闲的dma写数据缓存区写入数据。

8、作为本发明所述的基于fpga的pcie dma数据传输方法的一种优选方案，其中：所述向主机发起数据写请求包括数据从pcie板卡fpga搬运至主机，fpga的dma调度程序检测dma读状态fifo状态，从dma读状态fifo中读出相应的空闲dma读数据缓存区编号，通过编号从dma数据缓存区地址存储ram中读出对应的dma读数据缓存区首地址，基于dma读数据缓存区首地址向主机发送带数据的写请求包。

9、作为本发明所述的基于fpga的pcie dma数据传输方法的一种优选方案，其中：所述主机侧板卡驱动程序通过监测dma读控制缓存区的状态进行数据读取包括根据dma读控制缓存区首地址和dma读数据缓存区编号更新主机侧对应的dma读控制缓存区中的dma长度和dma状态变量，主机侧板卡驱动程序通过监测dma读控制缓存区的状态进行数据读取，当dma状态变量为满时，根据dma读控制缓存区的dma长度变量读取相应长度的数据，将当前dma读数据缓存区的编号写入pcie板卡fpga中的dma读缓存区状态存储fifo，完成dma读过程；主机侧的驱动申请dma读控制缓存区和dma读数据缓存区，当fpga中的dma调度程序检测到有数据要搬运到主机内存，且dma读缓存区状态存储fifo不为空时，连续重复dma读过程；当主机侧板卡驱动程序读dma数据缓存区的速度低于fpga从pcie板卡搬运至主机dma读数据缓存区的速度时，主机cpu无轮询等待时间，不被中断；当主机侧板卡驱动程序读dma数据缓存区的速度高于fpga从pcie板卡搬运至主机dma读数据缓存区的速度时，主机中的dma读控制缓存区dma状态变量全为空，主机驱动向pcie板卡发送读中断使能命令，pcie板卡fpga的中断控制程序接收到读中断使能命令，通过调度程序进行向主机dma读数据缓存区的数据搬运，更新dma读控制缓存区的dma状态变量，向主机cpu发送读中断，主机收到中断，若查询到dma读控制缓存区的dma状态变量为满，则继续从dma读数据缓存区读取数据。

10、本发明的另外一个目的是提供一种基于fpga的pcie dma数据传输系统，其能通过主机侧将数据传输至fpga，主机侧板卡驱动程序检查dma写控制缓存区的状态，将数据写入dma写数据缓存区，向fpga发送dma控制命令，fpga收到命令从指定的dma写数据缓存区读取数据，解决了目前的pcie dma数据传输含有效率低的问题。

11、作为本发明所述的基于fpga的pcie dma数据传输系统的一种优选方案，其中：包括初始化配置模块，写数据操作模块，读数据操作模块；所述初始化配置模块用于初始化配置主机侧的pcie板卡驱动程序和pcie板卡侧的fpga程序；所述写数据操作模块用于主机侧将数据传输至fpga，主机侧板卡驱动程序检查dma写控制缓存区的状态，将数据写入dma写数据缓存区，向fpga发送dma控制命令，fpga收到命令从指定的dma写数据缓存区读取数据；所述读数据操作模块用于fpga侧将数据传输至主机，fpga检测dma读缓存区状态存储fifo状态，向主机发起数据写请求，主机侧板卡驱动程序通过监测dma读控制缓存区的状态进行数据读取。

12、一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序是实现基于fpga的pcie dma数据传输方法的步骤。

13、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现基于fpga的pcie dma数据传输方法的步骤。

14、本发明的有益效果：本发明提供的基于fpga的pcie dma数据传输方法通过精确定义dma控制结构体及合理申请dma控制和数据缓存区，为整个数据传输过程打下了坚实的基础，通过对dma读写控制缓存区进行独立编号和地址映射，实现了对数据传输流程的精确控制，从而提高了数据传输的准确性和效率，通过智能化管理dma写控制缓存区的状态，实现了数据写入的高效性，当数据从主机搬运至pcie板卡fpga时，通过优化dma控制命令的传输和执行，减少了数据等待时间，提高了数据搬运的速度，此外，通过精细调度dma数据缓存区地址存储ram，确保了数据的高效读取，从而大幅提升了数据写入过程的性能和可靠性，通过高效的dma读数据缓存区状态管理和数据写请求机制，实现了从fpga到主机的快速数据传输，通过监测dma读控制缓存区的状态，主机侧板卡驱动程序能够及时读取到传输的数据，从而保证了数据处理流程的连贯性和实时性，该步骤的优化不仅提升了数据传输速度，还确保了数据传输过程的稳定性和可靠性，本发明在效率、等待时间以及可靠性方面都取得更加良好的效果。