基于Virtex5的PCI-Express總線接口設計

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系列FPGA芯片內嵌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的拓撲結構

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。其拓撲結構如圖1所示，其中包含ROOT COMPLEX(RC)、多個終端(I／O器件)、開關和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。

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的并行多路總線結構，采用一種串行、點到點的總線連接結構，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，其結構框圖如圖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?；帶有內置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品設計，如表1所示。

3 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。硬件結構框圖如圖3所示。

FPGA是整個設計的最關鍵部分，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；并且在其內部完成DDR控制時序邏輯。FPGA是PCI-Express接口和DDR內存單元數(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，主要取決于器件的型號、設計的時鐘頻率、內部設計觸發(fā)器翻轉率和整個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)功耗分析結果，選擇TI公司的相關電源模塊。

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，構建數(shù)據(jù)傳輸流程如圖4所示。

數(shù)據(jù)從PC內存通過PCI-Express接口向下傳輸?shù)紽PGA內部，F(xiàn)PGA內部DDR控制邏輯再將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降腄DR內存芯片中存儲，向下傳輸完畢后，F(xiàn)PGA內部邏輯從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內存，PC內存程序對數(shù)據(jù)進行校驗。

4 結 語

Virtex5系列FPGA芯片內嵌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，適合于各種應用領域，降低了設計成本，縮短了產品上市時間，保證了產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。