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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(xiàn)標準的下一代標準。PCI Express利用串行的連接特點(diǎn)能輕松將數據傳輸速度提到一個(gè)很高的頻率，達到遠遠超出PCI總線(xiàn)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的數據帶寬。x1的通道能實(shí)現單向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(shí)現單片可配置PCI-Express總線(xiàn)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(shí)現PCI-Express數據傳輸。 1 PCI Express的拓撲結構 PCI Express是一種能夠應用于點(diǎn)設備、臺式電腦、工作站、服務(wù)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(xiàn)。其拓撲結構如圖1所示，其中包含ROOT COMPLEX(RC)、多個(gè)終端(I／O器件)、開(kāi)關(guān)和PCI Express／PCI橋路，它們通過(guò)PCI Express進(jìn)行互聯(lián)。 
RC是I／O層次的根部，將CPU／存儲器子系統與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(kāi)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橋路機制來(lái)傳遞執行信息，例如IDT PCI Express開(kāi)關(guān)。 端點(diǎn)是指能作為PCI Express執行的請求者或完成者的那一類(lèi)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(xiàn)保留了對于PCI局部總線(xiàn)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(xiàn)結構，采用一種串行、點(diǎn)到點(diǎn)的總線(xiàn)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)、數據鏈接層(DLL)和傳輸層(TL)，同時(shí)它還實(shí)現了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(gè)接口：時(shí)鐘和復位接口、配置和狀態(tài)接口、電源管理接口、用戶(hù)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基本規格v1.1版要求，作為FPGA內部的硬核，它是可配置的PCIe端點(diǎn)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(shí)現，為系統的功能擴張提供了有效途徑；帶有內置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)品設計，如表1所示。
3 總線(xiàn)接口設計實(shí)現 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(shí)鐘管理模塊組成。硬件結構框圖如圖3所示。
FPGA是整個(gè)設計的最關(guān)鍵部分，主要實(shí)現：PCI-Express硬核；在硬核的用戶(hù)接口和傳輸接口實(shí)現PCI-Express傳輸本地總線(xiàn)的時(shí)序邏輯；并且在其內部完成DDR控制時(shí)序邏輯。FPGA是PCI-Express接口和DDR內存單元數據傳輸的通道。這里選擇 XilinxVirtex5系列FPGA中的V5LX50T芯片，封裝形式為FFGll36。 在整個(gè)電路中，FPGA的功耗最大，因此在電源模塊設計中，重點(diǎn)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(shí)鐘頻率、內部設計觸發(fā)器翻轉率和整個(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XPower提供的動(dòng)態(tài)功耗和靜態(tài)功耗分析結果，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，這里選擇使用現代公司的HY5DU56822DT-D4，在PCI-Express傳輸過(guò)程中，對時(shí)鐘的穩定性要求很高；Virtex5 FPGA內部的CMT模塊的時(shí)鐘綜合處理能力可能達不到預想的效果，這里使用專(zhuān)門(mén)的時(shí)鐘管理單元提供時(shí)鐘，選擇的是ICS874003芯片，通過(guò)FPGA 管腳控制其時(shí)鐘綜合的效果。 3.2 軟件設計 在實(shí)現PCI-Express數據傳輸過(guò)程中，構建數據傳輸流程如圖4所示。
數據從PC內存通過(guò)PCI-Express接口向下傳輸到FPGA內部，FPGA內部DDR控制邏輯再將數據傳輸到的DDR內存芯片中存儲，向下傳輸完畢后，FPGA內部邏輯從DDR芯片中將存儲的數據讀出，并且給每個(gè)數據按字節加‘1’，然后通過(guò)PCI-Express接口，再將數據傳輸回PC內存，PC內存程序對數據進(jìn)行校驗。 4 結 語(yǔ) Virtex5系列FPGA芯片內嵌PCI-Express End-point Block硬核，為實(shí)現單片可配置PCI-Express總線(xiàn)解決方案提供了可能�；赩irtex5 FPGA的PCIExpress設計實(shí)現方式簡(jiǎn)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(shí)間，保證了產(chǎn)品的功能性和易用性，開(kāi)創(chuàng )了高效率PCI Express開(kāi)發(fā)的新時(shí)代。 參考文獻 1. Doug Kern Introducing the Virtex-5 PCI Express Endpoint Block 2007 2. PCI ExpressTM Base Specification Revision 1.0a 2003 3. Virtex-5 LogiCORE Endpoint Block for PCI Express Designs User Guide 2007 4. ML555 Board User Guide 2007 5. LogiCORE Endpoint solutions for PCI Express 2007 6. Virtex-5 PCB Designer's Guide 2007 作者：國防科技大學(xué) 劉凱 徐欣 來(lái)源：現代電子技術(shù) 2008 31(20) |
