基于Virtex5的PCI-Express總線接口設(shè)計(jì)

PCI Express是由Intel，Dell，Compaq，IBM，Microsoft等PCI SIG聯(lián)合成立的Arapahoe Work Group共同草擬并推舉成取代PCI總線標(biāo)準(zhǔn)的下一代標(biāo)準(zhǔn)。PCI Express利用串行的連接特點(diǎn)能輕松將數(shù)據(jù)傳輸速度提到一個(gè)很高的頻率，達(dá)到遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出PCI總線的傳輸速率。一個(gè)PCI Express連接可以被配置成x1，x2，x4，x8，x12，x16和x32的數(shù)據(jù)帶寬。x1的通道能實(shí)現(xiàn)單向312.5 MB／s(2.5 Gb／s)的傳輸速率。Xilinx公司的Virtex5系列FPGA芯片內(nèi)嵌PCI-ExpressEndpoint Block硬核，為實(shí)現(xiàn)單片可配置PCI-Express總線解決方案提供了可能。

本文在研究PCI-Express接口協(xié)議和PCI-Express Endpoint Block硬核的基礎(chǔ)上，使用Virtex5LXT50 FPGA芯片設(shè)計(jì)PCI Express接口硬件電路，實(shí)現(xiàn)PCI-Express數(shù)據(jù)傳輸。

1 PCI Express的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

PCI Express是一種能夠應(yīng)用于點(diǎn)設(shè)備、臺(tái)式電腦、工作站、服務(wù)器、嵌入式計(jì)算機(jī)和通信平臺(tái)等所有周邊I／O設(shè)備互連的總線。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，其中包含ROOT COMPLEX(RC)、多個(gè)終端(I／O器件)、開關(guān)和PCI Express／PCI橋路，它們通過PCI Express進(jìn)行互聯(lián)。

RC是I／O層次的根部，將CPU／存儲(chǔ)器子系統(tǒng)與I／O相連。RC可以支持一個(gè)或多個(gè)PCI Express端口，例如英特爾芯片組。

開關(guān)定義為多個(gè)虛擬PCI之間的橋路器件的邏輯組，它們使用一種基于地址路由的PCI橋路機(jī)制來傳遞執(zhí)行信息，例如IDT PCI Express開關(guān)。

端點(diǎn)是指能作為PCI Express執(zhí)行的請(qǐng)求者或完成者的那一類器件，可以是PCI Express自身，也可以是一個(gè)非PCI Express器件，例如連接在PCI Express上的圖形控制器。

PCIE總線保留了對(duì)于PCI局部總線協(xié)議全部軟件的向下兼容性，即只要是PCIE的卡都可以插到支持PCI的操作系統(tǒng)上使用；在硬件上，兩者不兼容，PCIE取代PCI，PCI-X的并行多路總線結(jié)構(gòu)，采用一種串行、點(diǎn)到點(diǎn)的總線連接結(jié)構(gòu)，需要的接口更少。

2 Virtex 5 Lxt PCIE Endpoint block

Virtex 5 Lxt PCIE Endpoint block集成了PCIE協(xié)議中的物理層(PHY)、數(shù)據(jù)鏈接層(DLL)和傳輸層(TL)，同時(shí)它還實(shí)現(xiàn)了PCI-Express設(shè)備的功能配置寄存器，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，包含有以下幾個(gè)接口：時(shí)鐘和復(fù)位接口、配置和狀態(tài)接口、電源管理接口、用戶接口和傳輸層接口。

Virtex 5 Lxt PCIE Endpoint block具有PCI-Express的完整功能，完全符合PCIe基本規(guī)格v1.1版要求，作為FPGA內(nèi)部的硬核，它是可配置的PCIe端點(diǎn)解決方案，大大增加設(shè)計(jì)的靈活性，降低設(shè)計(jì)的RNE費(fèi)用，并且支持1x，2x，4x或8x通道的實(shí)現(xiàn)，為系統(tǒng)的功能擴(kuò)張?zhí)峁┝擞行緩剑粠в袃?nèi)置PCIe端點(diǎn)模塊的Virtex-5 LXT FPGA芯片，能夠被用于任何一種外形的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，如表1所示。

3 總線接口設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

3.1 接口硬件設(shè)計(jì)

接口硬件主要由主控FPGA模塊，電源管理模塊，DDR高速緩存模塊、和時(shí)鐘管理模塊組成。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

FPGA是整個(gè)設(shè)計(jì)的最關(guān)鍵部分，主要實(shí)現(xiàn)：PCI-Express硬核；在硬核的用戶接口和傳輸接口實(shí)現(xiàn)PCI-Express傳輸本地總線的時(shí)序邏輯；并且在其內(nèi)部完成DDR控制時(shí)序邏輯。FPGA是PCI-Express接口和DDR內(nèi)存單元數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ馈＿@里選擇XilinxVirtex5系列FPGA中的V5LX50T芯片，封裝形式為FFGll36。

在整個(gè)電路中，F(xiàn)PGA的功耗最大，因此在電源模塊設(shè)計(jì)中，重點(diǎn)考慮FPGA因素。FPGA的功耗與設(shè)計(jì)有關(guān)，主要取決于器件的型號(hào)、設(shè)計(jì)的時(shí)鐘頻率、內(nèi)部設(shè)計(jì)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)率和整個(gè)FPGA的資源利用率。這里使用Xilinx功耗分析工具XPower進(jìn)行功耗分析，根據(jù)XPower提供的動(dòng)態(tài)功耗和靜態(tài)功耗分析結(jié)果，選擇TI公司的相關(guān)電源模塊。

DDR是比較常用的高速緩存單元，這里選擇使用現(xiàn)代公司的HY5DU56822DT-D4，在PCI-Express傳輸過程中，對(duì)時(shí)鐘的穩(wěn)定性要求很高；Virtex5 FPGA內(nèi)部的CMT模塊的時(shí)鐘綜合處理能力可能達(dá)不到預(yù)想的效果，這里使用專門的時(shí)鐘管理單元提供時(shí)鐘，選擇的是ICS874003芯片，通過FPGA管腳控制其時(shí)鐘綜合的效果。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

在實(shí)現(xiàn)PCI-Express數(shù)據(jù)傳輸過程中，構(gòu)建數(shù)據(jù)傳輸流程如圖4所示。

數(shù)據(jù)從PC內(nèi)存通過PCI-Express接口向下傳輸?shù)紽PGA內(nèi)部，F(xiàn)PGA內(nèi)部DDR控制邏輯再將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降腄DR內(nèi)存芯片中存儲(chǔ)，向下傳輸完畢后，F(xiàn)PGA內(nèi)部邏輯從DDR芯片中將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)讀出，并且給每個(gè)數(shù)據(jù)按字節(jié)加‘1’，然后通過PCI-Express接口，再將數(shù)據(jù)傳輸回PC內(nèi)存，PC內(nèi)存程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

Virtex5系列FPGA芯片內(nèi)嵌PCI-Express End-point Block硬核，為實(shí)現(xiàn)單片可配置PCI-Express總線解決方案提供了可能。基于Virtex5 FPGA的PCIExpress設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)單、配置靈活，適合于各種應(yīng)用領(lǐng)域，降低了設(shè)計(jì)成本，縮短了產(chǎn)品上市時(shí)間，保證了產(chǎn)品的功能性和易用性，開創(chuàng)了高效率PCI Express開發(fā)的新時(shí)代。