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總線標準的下一代標準,。PCI Express利用串行的連接特點能輕松將數(shù)據(jù)傳輸速度提到一個很高的頻率,達到遠遠超出PCI總線的傳輸速率,。一個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的通道能實現(xiàn)單向312.5 MB/s(2.5 Gb/s)的傳輸速率,。Xilinx公司的Virtex5" title="Virtex5">Virtex5系列FPGA芯片內(nèi)嵌PCI-Express" title="PCI-Express">PCI-ExpressEndpoint Block硬核,為實現(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芯片設計PCI Express接口硬件電路,實現(xiàn)PCI-Express數(shù)據(jù)傳輸,。
1 PCI Express的拓撲結(jié)構(gòu)
PCI Express是一種能夠應用于點設備,、臺式電腦、工作站,、服務器,、嵌入式計算機和通信平臺等所有周邊I/O設備互連的總線。其拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示,其中包含ROOT COMPLEX(RC),、多個終端(I/O器件),、開關(guān)和PCI Express/PCI橋路,它們通過PCI Express進行互聯(lián),。
RC是I/O層次的根部,,將CPU/存儲器子系統(tǒng)與I/O相連。RC可以支持一個或多個PCI Express端口,,例如英特爾芯片組,。
開關(guān)定義為多個虛擬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橋路機制來傳遞執(zhí)行信息,,例如IDT PCI Express開關(guān),。
端點是指能作為PCI Express執(zhí)行的請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,、點到點的總線連接結(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),同時它還實現(xiàn)了PCI-Express設備的功能配置寄存器,,其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,,包含有以下幾個接口:時鐘和復位接口、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端點解決方案,,大大增加設計的靈活性,,降低設計的RNE費用,并且支持1x,2x,,4x或8x通道的實現(xiàn),,為系統(tǒng)的功能擴張?zhí)峁┝擞行緩剑粠в袃?nèi)置PCIe端點模塊的Virtex-5 LXT FPGA芯片,,能夠被用于任何一種外形的產(chǎn)品設計,,如表1所示。
3 總線接口" title="總線接口">總線接口設計實現(xiàn)
3.1 接口硬件設計
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、和時鐘管理模塊組成,。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示,。
FPGA是整個設計的最關(guān)鍵部分,主要實現(xiàn):PCI-Express硬核,;在硬核的用戶接口和傳輸接口實現(xiàn)PCI-Express傳輸本地總線的時序邏輯,;并且在其內(nèi)部完成DDR控制時序邏輯。FPGA是PCI-Express接口和DDR內(nèi)存單元數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?。這里選擇XilinxVirtex5系列FPGA中的V5LX50T芯片,,封裝形式為FFGll36。
在整個電路中,,F(xiàn)PGA的功耗最大,,因此在電源模塊設計中,重點考慮FPGA因素,。FPGA的功耗與設計有關(guān),,主要取決于器件的型號、設計的時鐘頻率,、內(nèi)部設計觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)率和整個FPGA的資源利用率,。這里使用Xilinx功耗分析工具XPower進行功耗分析,根據(jù)XPower提供的動態(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,,對時鐘的穩(wěn)定性要求很高;Virtex5 FPGA內(nèi)部的CMT模塊的時鐘綜合處理能力可能達不到預想的效果,,這里使用專門的時鐘管理單元提供時鐘,,選擇的是ICS874003芯片,通過FPGA管腳控制其時鐘綜合的效果,。
3.2 軟件設計
在實現(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,,向下傳輸完畢后,,F(xiàn)PGA內(nèi)部邏輯從DDR芯片中將存儲的數(shù)據(jù)讀出,并且給每個數(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)進行校驗,。
4 結(jié) 語
Virtex5系列FPGA芯片內(nèi)嵌PCI-Express End-point Block硬核,,為實現(xiàn)單片可配置PCI-Express總線解決方案提供了可能?;赩irtex5 FPGA的PCIExpress設計實現(xiàn)方式簡單,、配置靈活,適合于各種應用領(lǐng)域,,降低了設計成本,,縮短了產(chǎn)品上市時間,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)的新時代,。