基于Virtex-5的PCI-Express總線接口設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

0 引言
    PCI Express總線是新一代的I／O局部總線標(biāo)準(zhǔn)，是取代PCI總線的革命性總線架構(gòu)。PCI總線曾經(jīng)是PC體系結(jié)構(gòu)發(fā)展史上的一個(gè)里程碑，但是隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，新涌現(xiàn)出的一些外部設(shè)備對(duì)傳輸速度和帶寬有更高的要求，PCI設(shè)計(jì)之初并沒有考慮這些因素，因此并不能完全滿足這些外部設(shè)備的需求。PCI Express總線正是在這種背景下應(yīng)運(yùn)而生的。
    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。Xilinx公司的Virtex5系列FPGA芯片內(nèi)嵌PCI-Express-Endpoint 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Virtex5LXT系列的XC5VLX50T FPGA芯片設(shè)計(jì)PCI- Express接口硬件電路，現(xiàn)YPCI-Express x4總線數(shù)據(jù)的傳輸。

1 PCI-Express總線概述
    PCI-Express是一種高性能、通用的I／O互連技術(shù)，可以廣泛應(yīng)用于計(jì)算和通訊的平臺(tái)。與傳統(tǒng)的PCI／PCI-X總線相比，PCI Express用高速串行接口替代了PCI-X的并行接口；用點(diǎn)到點(diǎn)的基于Switch的交換式通訊替代了PCI-X的基于總線的通訊；用基于包的傳輸協(xié)議(packetbasedprotocol)替代TPCI-X的基于總線的傳輸協(xié)議。此外，它還引入了一些新的特性：更強(qiáng)的電源管理、服務(wù)質(zhì)量控制(QoS)，支持熱拔插，以及完善的錯(cuò)誤處理和恢復(fù)。
1．1 PCI-Express設(shè)備／拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
    PCI-Express的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。PCI-Express協(xié)議中共定義了三種設(shè)備：RootComplex、Endpoint和Switeh。

    Root Complex在系統(tǒng)中的位置類似于PCI-X中的主橋，它是I／O層次的根，它將CPU和MM連接至I／O部件。每個(gè)Root Complex可以有一個(gè)或多個(gè)PCI-Express Port(Root Port)，每個(gè)接口定義一個(gè)層次域。Endpoint是PCI-Express的端點(diǎn)設(shè)備，可以分為PCI-Express Endpoint和LegacyEndpoint兩類。
    Switch是PCI-Express的交換設(shè)備，可以理解為邏輯上由多個(gè)PCI-PCI橋組合而成，每個(gè)橋?qū)?yīng)于一個(gè)SwiSh端口。從配置軟件來看，Swi-tch是兩個(gè)或更多個(gè)邏輯的PCI-PCI橋。
1．2 PCI-Express的層次
    PCI-Express協(xié)議中定義了三層結(jié)構(gòu)：事務(wù)層(Transaction Layer)、數(shù)據(jù)鏈路層(Data Link Layer)和物理層(Physical Layer)。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    事務(wù)層主要負(fù)責(zé)組包和拆包，負(fù)責(zé)管理基于信用的流控制。
    數(shù)據(jù)鏈路層主要負(fù)責(zé)鏈路的管理和數(shù)據(jù)完整性的管理，包括錯(cuò)誤的檢測(cè)和錯(cuò)誤的糾正。
    物理層包含接口的所有電路：驅(qū)動(dòng)器和輸入緩沖、并-串／串-并轉(zhuǎn)換、鎖相環(huán)、阻抗匹配電路，具有接口初始化和維護(hù)的功能。物理層可以更進(jìn)一步細(xì)分為邏輯物理層(Logical Physical Layer)和電氣物理層(Electrical Physical Laycr)。邏輯物理層在發(fā)送方向上負(fù)責(zé)從數(shù)據(jù)鏈路層接收包，處理后發(fā)送上鏈路；在接收方向上負(fù)責(zé)將從鏈路收到的包經(jīng)過處理轉(zhuǎn)發(fā)到數(shù)據(jù)鏈路層。電氣物理層是連接到鏈路的模擬接口，包含每個(gè)通道的差分收發(fā)器。
1．3 PCI-Express的包
    對(duì)應(yīng)于協(xié)議定義的三層結(jié)構(gòu)，PCI Express定義了三種包：
    (1)TLP：對(duì)應(yīng)于事務(wù)層，主要完成協(xié)議中定義的存儲(chǔ)器事務(wù)、I／O事務(wù)、配置事務(wù)和消息事務(wù)。
    (2)DLLP：對(duì)應(yīng)于數(shù)據(jù)鏈路層，主要用于鏈路管理的功能，包括和TLP確認(rèn)相關(guān)的ACK／NAK協(xié)議、電源管理和流控制信息的交換。在這一層提供了點(diǎn)到點(diǎn)的鏈路重傳機(jī)制和鏈路層的ECC校驗(yàn)，從而提供了可靠的容錯(cuò)機(jī)制。
    (3)PLP：對(duì)應(yīng)于物理層，能夠支持物理層的鏈路訓(xùn)練，時(shí)鐘容忍／補(bǔ)償，自治的硬件電源管理。

2 Virtex-5 Lxt簡(jiǎn)介
    綜合考慮了實(shí)現(xiàn)PCI Express總線的周期、難易、成本等因素，最后本文采用了Xilinx公司65nm工藝的Virtex5 LXT系列芯片來實(shí)現(xiàn)PCI-Express的總線接口以及應(yīng)用。
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У耐緩健?br />     該系列芯片內(nèi)嵌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3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。該P(yáng)CIE Endpoint block完成了PCI-SIG兼容性專題研討會(huì)的嚴(yán)格測(cè)試步驟，保證了產(chǎn)品的兼容性，降低了風(fēng)險(xiǎn)；集成了Rocket IO-TMGTP收發(fā)器，該GTP收發(fā)器能提供100Mb／s到3．2Gb／s的串行連接性能，可以支持PCI-Express協(xié)議所需的2．5Gb／s的速率，與PCI-Expre-ss協(xié)議每通道2．5Gb／s工作模式兼容，這使得它在數(shù)據(jù)的編解碼上滿足PCI-Express協(xié)議的要求。本文使用該系列中的XC5VLX50T芯片設(shè)計(jì)PCI-Express接口硬件電路，實(shí)現(xiàn)PCI-Express x4的數(shù)據(jù)傳輸。

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3 PCI-Express總線接口設(shè)計(jì)
    本文的硬件主要就是單片XC5VLX50T實(shí)現(xiàn)PCI-Express總線接口，并在該FPGA內(nèi)設(shè)計(jì)具體應(yīng)用，完成PCI-Express總線接口的測(cè)試和使用。本文實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用有如下幾個(gè)特性：
    (1)主機(jī)通過控制FPGA內(nèi)部的寄存器文件來啟動(dòng)和停止DMA操作，支持endpoint到root的全雙工DMA讀寫。
    (2)使用LogiCORE產(chǎn)生的Endpoint Block Plus進(jìn)行PCI-Express總線接口設(shè)計(jì)。該硬核集成了PCIE協(xié)議中的物理層、數(shù)據(jù)鏈接層的解析，提供傳輸層接口(TRN)供設(shè)計(jì)者對(duì)相應(yīng)的事務(wù)層數(shù)據(jù)包的處理。
    (3)PCI-Express總線接口支持x4通道的實(shí)現(xiàn)，主機(jī)操作系統(tǒng)為嵌入式Linux 2．6．10系統(tǒng)。在Windows XP下也進(jìn)行PCI-Express接口測(cè)試。
    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DMA控制時(shí)序邏輯。FPGA是PCI-Express總線接口和應(yīng)用模塊數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?。在Host端使用嵌入式的MPC8548作為主機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用CPU，設(shè)計(jì)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用程序配合FPGA內(nèi)部代碼的調(diào)試。圖4為該系統(tǒng)的拓?fù)淇驁D。

    使用LogiCORE產(chǎn)生的Endpoint Block Plus中，定義了兩個(gè)基地址memory空間，一個(gè)用于DMA寄存器的操作，一個(gè)用于用戶邏輯空間。本文主要介紹的就是用戶應(yīng)用層接口的實(shí)現(xiàn)，該接口將通過TRN進(jìn)行相應(yīng)的事務(wù)層數(shù)據(jù)包的處理。
    用戶應(yīng)用層接口主要包括如下幾個(gè)模塊：a．TX Engine模塊；b．RX Engine模塊；c．Egress Data Presenter模塊；d．Read Request Wrapper模塊；e．DMA Control／Status Registers模塊。這幾個(gè)模塊之間的拓?fù)潢P(guān)系如圖5所示。

    TX Engine：該模塊主要用于產(chǎn)生和發(fā)送事務(wù)層數(shù)據(jù)包：Posted事務(wù)包(存儲(chǔ)器、I／O、配置讀寫事務(wù))、non_Posted事務(wù)包(該總線事務(wù)包分兩步進(jìn)行，首先是發(fā)送端向接收端提交總線讀寫請(qǐng)求，之后接收端再向發(fā)送端發(fā)送完成包)和completion(完成)包。該模塊通過發(fā)送posted memory寫，non_Posted memory讀，和接收completion包來完成DMA的讀寫請(qǐng)求。該模塊的啟動(dòng)由DMA Control／Status Registers模塊控制。該模塊又包括若干子模塊：posted packet generator模塊、non posted packet generator模塊、completion packet generator模塊和transmit TRN state machine模塊，上述三個(gè)generator模塊均由transmit TRN狀態(tài)機(jī)模塊控制，該狀態(tài)機(jī)的控制信號(hào)來自Endpoint Block Plus核以及DMA Control／StatusRegisters模塊。
    RX Engine：該模塊主要用于接收Endpoint BlockPlus模塊從RX TRN接口送出的事務(wù)層數(shù)據(jù)包，對(duì)不同的事務(wù)包進(jìn)行解析，根據(jù)相應(yīng)的包做相應(yīng)的處理，該模塊能處理如下三種事務(wù)包：完成包、memory讀包和memory寫包。該模塊又包括如下子模塊：接收TRN狀態(tài)機(jī)模塊、接收TRN監(jiān)控模塊、接收數(shù)據(jù)狀態(tài)機(jī)模塊以及兩個(gè)fifo用于存放完成包的接收數(shù)據(jù)和完成包中目的和源的地址以及數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度，用于設(shè)置DMA Control／Status Registers模塊中的各個(gè)狀態(tài)。接收TRN狀態(tài)機(jī)模塊只負(fù)責(zé)TRN接口處的數(shù)據(jù)包的狀態(tài)和接收收據(jù)，送給后面的模塊；接收TRN監(jiān)控模塊負(fù)責(zé)根據(jù)不同的TLP包來分配數(shù)據(jù)和狀態(tài)，是直接將帶數(shù)據(jù)的完成包的數(shù)據(jù)寫到用戶應(yīng)用接口fifo，還是讀請(qǐng)求或?qū)懻?qǐng)求TLP包通知TX engine，組成相應(yīng)的包發(fā)送出去或者通知DMA控制器進(jìn)行相應(yīng)的DMA傳送控制；接收數(shù)據(jù)狀態(tài)機(jī)模塊對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理。
    Egress Data Presenter：該模塊是專門為TX Engine模塊提供發(fā)送數(shù)據(jù)的模塊，要發(fā)送到主機(jī)的數(shù)據(jù)都在該模塊中進(jìn)行處理，它和TX Engine模塊間的數(shù)據(jù)位寬定義為64bit。
    Read Request Wrapper：該模塊主要用于TX Engine模塊和RX Engine模塊之間的通信控制接口，本文中設(shè)計(jì)DMA的讀寫操作每包可能的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為：1KDW、2KDW、3KDW、4KDW、8 KDW、16 KDW之間可選。該選擇是由主機(jī)通過寫寄存器文件來進(jìn)行長(zhǎng)度策略選擇的。
    DMA Control／Status Register：該模塊主要用于主機(jī)系統(tǒng)通過控制FPGA內(nèi)部的寄存器文件的設(shè)置來啟動(dòng)和停止endpoint到root的DMA讀寫操作。包括一個(gè)控制寄存器以及若干個(gè)配置寄存器，配置寄存器有主機(jī)的目的地址、源地址信息，本地的目的地址、源地址信息，以及每次DMA的數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度等信息。由控制寄存器中的bit位的狀態(tài)來啟動(dòng)所有的狀態(tài)機(jī)的控制，所以控制寄存器是整個(gè)操作的關(guān)鍵信號(hào)。[!--empirenews.page--]

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
    首先初始化FPGA內(nèi)部的寄存器文件，通過設(shè)置相應(yīng)的控制位啟動(dòng)數(shù)據(jù)從Host內(nèi)存通過PCI-Express接口向下傳輸?shù)紽PGA內(nèi)部，傳輸完畢后，F(xiàn)PGA內(nèi)部控制邏輯將接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并得到向上輸出的數(shù)據(jù)，然后通過PCI-Express接口，再將數(shù)據(jù)傳輸回Host內(nèi)存，Host內(nèi)存的檢測(cè)程序?qū)λ盏降臄?shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。在進(jìn)行FPGA內(nèi)部PCI-Express接口速度測(cè)試時(shí)，由于Host讀寫內(nèi)存需要一定的時(shí)間，所以在測(cè)試速度時(shí)不進(jìn)行Host內(nèi)存的讀寫。而在正確性測(cè)試時(shí)，則通過Host讀寫內(nèi)存判斷數(shù)據(jù)是否正確。所有ChipScope截圖均以一包數(shù)據(jù)包大小為4KDW為例進(jìn)行捕捉，圖中有文字標(biāo)識(shí)其中的信號(hào)意義。
    圖6為Host將數(shù)據(jù)通過PCI-Express接口向下傳輸?shù)紽PGA內(nèi)部的ChilpScope截圖。

    從圖中可以看出，F(xiàn)PGA接收數(shù)據(jù)包的最大載荷為512B，而發(fā)送數(shù)據(jù)包為128B。在Host將數(shù)據(jù)通過PCI-Express接口向下傳輸?shù)紽PGA過程中，首先FPGA要向Host發(fā)送一系列mem讀請(qǐng)求包，Host收到請(qǐng)求包后，就根據(jù)請(qǐng)求包的內(nèi)存地址和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度發(fā)送CPLD包給FPGA，F(xiàn)PGA解析CPLD包并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)到相應(yīng)數(shù)據(jù)區(qū)。圖7為在Windows XP下測(cè)得的每包數(shù)據(jù)包大小為16KDW時(shí)傳輸速率為5．03Gb／s。

    圖8為FPGA處理完后將數(shù)據(jù)通過PCI-Express接口向上傳輸?shù)紿ost的ChipScope截圖。從圖中可以看出包和包之間的發(fā)送有一定的間隔，這是因?yàn)榭刂泼堪l(fā)送造成的間隔，所以在同樣每包數(shù)據(jù)包大小為16KDW時(shí)測(cè)得的傳輸速率要底于Host向下傳輸?shù)乃俾?，只?．7Gb／s左右。

5 總結(jié)和展望
    Virtex5系列FPGA芯片內(nèi)嵌PCI-Express End-pointBlock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PCI-Express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。