利用FPGA构建PCI Express端点器件平台的实现

 

　　PCI Express是新一代的总线接口。它采用了目前业内流行的点对点串行连接，比起PCI以及更早期的计算机总线的共享并行架构，每个设备都有自己的专用连接，不需要向整个总线请求带宽，而且可以把数据传输率提高到一个很高的频率，达到PCI所不能提供的高带宽。PCI Express的接口根据总线位宽不同而有所差异，包括X1、X4、X8以及X16（X2模式将用于内部接口而非插槽模式）。较短的PCI Express卡可以插入较长的PCI Express插槽中使用。PCI Express接口能够支持热拔插，这也是个不小的飞跃。PCI Express卡支持的三种电压分别为+3.3V、3.3Vaux以及+12V.用于取代AGP接口的PCI Express接口位宽为X16,将能够提供5GB/s的带宽，即便有编码上的损耗但仍能够提供4GB/s左右的实际带宽，远远超过AGP 8X的2.1GB/s的带宽。

　　PCI Express互连架构主要针对基于台式/膝上（PC）的系统。但就像PCI一样，PCI Express也很快转移到其他系统类型，如嵌入式系统。它规定了三种类型器件：根联合体（root complex）、交换器件和端点（图1）。根联合体大致等同于PCI主机，CPU、系统存储器和图形控制器与之相连接。由于PCI Express的点对点特性，必须使用交换器件来增加系统功能的数量。PCI Express交换器件将上游端的根联合体器件连接到下游端的端点。

　　图1:PCI Express拓扑。

　　端点功能类似于PCI/PCI-X器件。常用的端点器件有以太网控制器或存储HBA（主机总线适配器）。FPGA常用于数据处理和桥接功能，所以其目标功能就是端点。FPGA实现非常适合于视频、医疗影像、工业、测试和测量、数据采集和存储应用。

　　图2:基于Spartan-3 FPGA的数据采集卡。

　　PCI特别兴趣小组（PCI-SIG）采用的PCI Express规范规定每个PCI Express器件使用三个不同的协议层：物理层、数据链路层和事务层。您可以使用单芯片或双芯片解决方案来构建PCI Express端点。例如，使用Xilinx Spartan-3器件之类的低成本FPGA,您可以用商用离散PCI Express PHY（图2）来构建数据链路和事务层。此选项适合于x1通道应用，如：总线控制器、数据采集卡和提高性能的PCI 32/33器件。或者，您可以使用类似Virtex-5 LXT或SXT FPGA的单芯片解决方案，它们具备集成的PCI Express PHY.此选项适合于通讯或高清晰度音频/视频端点器件（图3），它们对性能的要求更高：x4（8Gbps吞吐量）链路或x8（16Gbps吞吐量）链路。

　　图3:基于Virtex-5 LXT FPGA的视频应用。

　　在选择一种技术来实现PCI Express设计之前，必须仔细考虑应用的IP选择、链路效率、兼容性测试及资源可用性。本文中，我们将简要介绍使用的FPGA技术构建单芯片x4和x8通道PCI Express设计的一些因素。

　　IP的选择

　　IP是英文Internet Protocol（网络之间互连的协议）的缩写，中文简称为"网协",也就是为计算机网络相互连接进行通信而设计的协议。在因特网中，它是能使连接到网上的所有计算机网络实现相互通信的一套规则，规定了计算机在因特网上进行通信时应当遵守的规则。任何厂家生产的计算机系统，只要遵守 IP协议就可以与因特网互连互通。IP地址具有性，根据用户性质的不同，可以分为5类。另外，IP还有进入防护，知识产权，指针寄存器等含义。IP协议实际上是一套由软件程序组成的协议软件，它把各种不同"帧"统一转换成"IP数据包"格式，这种转换是因特网的一个重要的特点，使所有各种计算机都能在因特网上实现互通，即具有"开放性"的特点。

　　作为设计人员，您可以选择构建自己的软IP或者向第三方或FPGA供应商购买IP.构建自己的IP的难题在于，您不光得从零开始创建设计，还得担心验证、批准、兼容性和硬件评估等环节。向第三方或FPGA供应商购买的IP,已经过所有严格的兼容性测试和硬件评估，可以即插即用。

　　另一选择是使用技术的FPGA.Virtex-5 LXT和SXT的专用门电路（图4）中实现了集成x8通道PCI Express控制器。这种实现极具优势，因为设计是在硬硅片中实现的，所以需要的FPGA逻辑资源数量达到了。例如，在Virtex-5 LXT FPGA中，一个x8通道软IP核可占用多达10,000个逻辑单元，而硬实现只需要大约500个逻辑单元，多数用于接口。这样的资源节省有时候能允许您选择更小的器件，而器件越小通常就会越便宜。集成实现通常具有更高的性能、更宽的数据通路，并且可通过软件配置。

　　图4:Virtex-5 LXT FPGA PCI Express端点框图。

　　软IP实现的另一难题是功能的数量。通常，此类核仅实现满足性能或兼容性目标规范所要求的少功能。相反，硬IP可以支持基于客户要求的全面功能列表，并提供完全的兼容性（表1），且不存在严重的性能或资源相关的问题。

　　表1:Virtex-5 LXT FPGA PCI Express功能。

　　延迟

　　尽管PCI Express控制器的延迟不会对总体系统延迟有很大的影响，但却会影响接口的性能。使用较窄的数据通路有助于减少延迟。

　　对PCI Express来说，延迟就是发送包并穿过物理层、逻辑层和事务层接收包所需的周期数。典型的x8通道PCI Express端点的延迟为20~25周期。250MHz下，转换为80~100ns.如果使用128位的数据通路实现接口来简化时序（如125MHz），延迟会加倍为160~200ns.在的Virtex-5 LXT和SXT器件中，无论是软IP实现还是硬IP实现，都采用250MHz下的64位数据通路进行x8实现。

　　链路效率

　　链路效率是延迟、用户应用设计、有效载荷大小和额外开销的函数。随着有效载荷大小（通常称为有效载荷）的增加，有效链路效率也会增加。这是由包的额外开销固定不变这一事实造成的；如果有效载荷大，效率就提高。一般情况下，256字节的有效载荷可提供93%的理论效率（256有效载荷字节+12头字节+8帧字节）。尽管PCI Express允许的包大小可达4KB,但如果有效载荷大小大于256或512字节，大多数系统的性能都无法提高。由于链路协议额外开销（ACK/NAK、重新发送包）和流程控制协议（授权），在Virtex-5 LXT FPGA中实现x4或x8 PCI Express的链路效率为88~89%.

　　利用FPGA实现可以更好地控制链路效率，因为它允许您选择与端点实现对应的接收缓冲器尺寸。如果链接双方不是采用相同的方式实现数据通路，则二者的内部延迟会不同。例如，如果一号链接方使用64位、250MHz实现，延迟为80ns,而二号链接方使用128位、125MHz实现，延迟为160ns,该链路的组合延迟即为240ns.现在，如果一号链接方的接收缓冲器设计成160ns的延迟（即期待其链接对方也是64位、250MHz实现），那么链路效率就会降低。如果采用ASIC实现，就不可能改变接收缓冲器的尺寸，效率损失将是实实在在的，而且是性的。

　　用户应用设计也会对链路效率有所影响。用户应用必须设计成定期排空PCI Express接口的接收缓冲器，并保持发送缓冲器时刻充满。如果用户应用不立即使用接收的包（或者不立即响应发送请求），无论接口的性能如何，总链路效率都会受到影响。

　　使用某些处理器设计时，如果处理器不能执行大于1DWORD的突发，则需要实现一个DMA控制器。这将造成链路利用不充分，效率不佳。大多数嵌入式CPU可以发送长于1DWORD的突发，所以通过良好的FIFO设计就可以有效地管理这些设计的链路效率。

　　PCI Express兼容性

　　兼容性是经常被遗漏和低估的重要细节。如果要构建必须与其他器件和应用结合使用的PCI Express应用，则必须确保设计的兼容性。

　　兼容性不只针对IP,而是针对整个解决方案，包括IP、用户应用、硅片器件和硬件板。如果整个解决方案已经过PCI-SIG PCI Express兼容性研讨会（别号"plug fest"）验证，就基本保证了您设计的PCI Express部分会一直有效。

　　本文小结

　　PCI Express已替代PCI成为事实上的系统互连标准，并且已从PC转移到其他系统市场，包括嵌入式系统设计。

　　FPGA非常适合于构建PCI Express端点器件，因为它允许您创建带有用户所需的附加定制功能的兼容性PCI Express器件。

　　类似Virtex-5 LXT和SXT系列的新65nm FPGA完全符合PCI Express规范v1.1,并为用户应用提供广泛的逻辑和器件资源。使用外部PHY的Spartan-3系列FPGA提供了低成本解决方案。这些因素，加上内在的可编程逻辑优势（灵活性、可再编程性和低风险）使FPGA成为PCI Express的平台。