系统软件设计

4.1 引言

本章基于第二章的分析结论，进行系统软件设计。软件设计包括逻辑设计、嵌入

式软件设计和上位机软件设计。在逻辑设计中，对 ADC 模块、Aurora 模块、DDR3

SDRAM 模块和 PCIE 模块进行分析和设计，在 Vivado 软件提供的 IP 核的基础上进

行各模块的逻辑代码的编写，并解决各个模块之间数据连接的问题；嵌入式设计是对

系统和内核的移植，并在 Zynq 的 PS 内核实现系统的启动；在上位机设计中，首先

介绍驱动开发工具，再介绍上位机的整体设计。

4.2 逻辑软件设计

由于载卡的 FMC 接口数据与接入的子卡类型有关，根据接入的子卡类型选择

ADC 模块或 Aurora 模块，当选择 AD 子卡时，使能 ADC 模块，当选择光纤子卡时，

使能 Aurora 模块。对应的模块数据经 DDR3 SDRAM 缓存后，再由 PCIE 接口发送至

PC 机，数据流向如图 4.1 所示。

其中，ADC 模块是 AD 子卡的驱动程序，可提供 1Gsa/s 的采样率，数据分辨率

为 12bit；Aurora 模块是光纤子卡的驱动程序，采用 Aurora 协议，4 通道，单通道速

率为 10Gbps，总速率为 40Gbps；PCIE 接口采用 PCIE2.0 协议，x8 模式，单通道速

率为 5.0Gbps，总速率为 40Gbps；DDR3 SDRAM 模块用来实现对 Aurora 数据或 ADC

数据进行缓存。Vivado 软件内提供 Aurora、PCIE 和 MIG 的 IP 核，分别为 Aurora 协

议、PCIE 协议和 DDR3 SDRAM 提供接口解决方案，下面对各个模块进行详细设计。

4.2.2

ADC 模块逻辑设计

AD 子卡的 ADC 芯片采样率最大为 1.6Gbps。而在第二章指标分析中，ADC 的

采样率不得低于 706.6Msa/s，在本次设计中，设置 ADC 的采样率为 1Gsa/s。

ADC 芯

片工作在双边沿采样的模式，这样采样率可以是采样时钟的两倍。需要产生 500MHz

的差分时钟信号，用 Zynq 芯片内部的 MMCM 资源可产生 500MHz 的单端时钟，再

利用 Xilinx 提供的 OBUFDS 原语把单端时钟转换成差分时钟输出。

由于 ADC 工作在双边沿采样，需要拉高 ADC 芯片的 DES 引脚；信号耦合方式

是交流耦合，需要设置 VCMO 引脚为低电平。在双边沿工作模式下，ADC 芯片可以

选择多路复用模式，多路复用模式可以实现数据线的复用，多路复用模式的时序图如

图 4.2 所示[25]。

图中，CLK+/-是采样时钟信号，DQd，Did，DQ，DI 是 ADC 的数据线，DCLKI+/-

是通道 I 的数据同步输出时钟。由图可知，ADC 工作在双边沿采样模式，多路复用模

式时，完成 4 次转换后，数据依次轮流输出至 DQd，Did，DQ，DI。同时在 DCLK+/-

上输出一个转换时钟二分频的信号，这里为 250MHz。

由于数据位宽是 12bit，但是 DDR3 SDRAM 模块的 FIFO 宽度为 256bit，两者不

成整数倍关系。这里解决办法是把各个数据通道的 12bit 扩展成 16bit，然后分别保存

至小的 FIFO 里，再用一个 FIFO 输出 256bit 的数据宽度。数据流缓存框图如图 4.3 所

示。其中，FIFO1~FIFO4 是读写位宽都为 16bit 的同步 FIFO，FIFO 时钟为 ADC 芯片

出来的 DCLK+/-时钟，经差分转单端后的时钟，4 个 FIFO 输出的数据写入至 FIFO5

里面，FIFO5 是写数据位宽为 64bit，读数据位宽为 256bit 的异步 FIFO，可以直接与

DDR3 SDRAM 模块连接。

光纤接口采用 Aurora 协议，有 4 个通道，单通道速率为 10Gbps，总速率为 40Gbps。

光纤接口的数据传输时基于 Vivado 软件提供的 Aurora 协议的 IP 核实现，该 IP 核有

8B/10B 和 64B/66B 两种，分别对应相应的编码方式。本设计采用 64B/66B 编码，增

加了带宽利用率。核例化过程如图 4.4 所示。

例化核时，首先指定传输速率，这里设置为 10Gbps。根据硬件电路设计，这里

的参考时钟设置为 125MHz，传输采用全双工流模式，方便设计和使用。然后指定通

道在芯片上的映射关系。

例化后的核如图 4.5 所示。