PCI Express接口標準的特點及在FPGA中的應(yīng)用

作者：Razak Mohammed Ali，TS Anil Kumar

PCI Express是從PCI發(fā)展而來的一種系統(tǒng)互聯(lián)接口標準。PCI和PCI-X都是基于32位以及64位的并行總線，而PCI Express則使用高速串行總線。PCI Express后向兼容于PCI，能夠靈活地提供大峰值帶寬。表1對比了三種PCI標準的特性。

表1 PCI標準對比

一對同時工作的發(fā)送和接收通道被稱為一個通路。發(fā)送和接收通道使用低電壓差分信號（LVDS）標準傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)時鐘嵌入在每個通道中，以實現(xiàn)非常高的數(shù)據(jù)速率。

圖1 PCI Express鏈路

一條PCI Express鏈路由多條通路組成，在鏈路中增加更多的通路可提高PCI Express鏈路的帶寬。規(guī)范支持的鏈路通路帶寬有x1、x4、x8和x16四種。

PCI Express的高級特性包括：

主動功耗管理：在PCI Express中，不管總線上是否有信號傳送，總線接口總是一直在工作?？臻e狀態(tài)下，總線上沒有任何操作時，這樣會導(dǎo)致很高的功耗。為降低功耗，PCI Express提供了主動功耗管理機制，以便降低總線空閑時的功耗。

實時數(shù)據(jù)流量：PCI Express保證數(shù)據(jù)包在虛擬通道的給定時間內(nèi)到達其目的地，實現(xiàn)了不同等級的服務(wù)質(zhì)量（QoS）。

熱插拔：PCI Express支持系統(tǒng)工作時的熱插拔，縮短了系統(tǒng)更新和調(diào)試階段的停機時間。

誤碼探測和糾正：由于數(shù)據(jù)鏈路層的循環(huán)冗余碼校驗（CRC）功能，PCI Express能夠更好地檢查數(shù)據(jù)完整性，進行誤碼處理，提高總線操作的可靠性，增強數(shù)據(jù)恢復(fù)的能力。

實現(xiàn)PCI Express接口的難點

采用定制邏輯在專用產(chǎn)品中實現(xiàn)PCI Express接口有很多難點：

自適應(yīng)硬件：設(shè)計專用產(chǎn)品所選用的硬件平臺必須能夠滿足PCI Express協(xié)議的電氣規(guī)范和性能要求。在存儲器、服務(wù)器和背板等典型PCI Express終端應(yīng)用中，基于PC的網(wǎng)絡(luò)在帶寬需求和數(shù)據(jù)速率上發(fā)展很快。這類產(chǎn)品還需要靈活地適應(yīng)那些可能替代現(xiàn)有標準的新標準。

系統(tǒng)性能：由于PCI Express鏈路的預(yù)期數(shù)據(jù)速率在Gbps范圍內(nèi)，因此，時序裕量非常緊張。實現(xiàn)任何PCI Express接口都必須滿足系統(tǒng)嚴格的性能要求。

可靠性：要實現(xiàn)這一協(xié)議必須保證產(chǎn)品在可能經(jīng)受的工作電壓和溫度（PVT）變化范圍內(nèi)有可靠的性能表現(xiàn)。

通用性：PCI Express接口經(jīng)常用于連接不同的半導(dǎo)體器件。因此，該協(xié)議的產(chǎn)品必須與市場上其他PCI Express器件兼容。

使用方便：對于系統(tǒng)設(shè)計人員而言，PCI Express應(yīng)該實現(xiàn)起來比較簡單（或者換句話說，打開包裝就能用）。這一般是指能夠提供參考設(shè)計、界面友好的軟件工具、驗證設(shè)計的原型開發(fā)平臺，以及完整的文檔等。

FPGA中的PCI Express接口

FPGA通常用于橋接使用不同協(xié)議的器件。而且，由于邏輯門容量的增加，系統(tǒng)級特性的豐富，以及系統(tǒng)吞吐量的提高，F(xiàn)PGA還被逐步承擔(dān)系統(tǒng)核心功能。

在最近幾年中，F(xiàn)PGA供應(yīng)商開始采用吉比特收發(fā)器模塊等硬件IP來實現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率的高速串行I/O接口。例如，Altera公司的Stratix II GX FPGA每通道數(shù)據(jù)速率高達6.375 Gbps。采用吉比特收發(fā)器模塊，現(xiàn)在可以在一片F(xiàn)PGA中實現(xiàn)高速串行協(xié)議，包括千兆以太網(wǎng)、串行Rapid IO、PCI Express、XAUI和HD-SDI等。

吉比特收發(fā)器模塊一般包括物理層和物理編碼子層（PCS），如圖2所示。上層協(xié)議以硬件描述語言（HDL）編寫的IP在FPGA架構(gòu)中實現(xiàn)。

圖2 PCI Express高速串行I/O

FPGA的PCI Express接口有明顯的優(yōu)勢：

靈活性：由于FPGA架構(gòu)在本質(zhì)上具有可編程性，因此，采用FPGA的任何產(chǎn)品在通路數(shù)量、特性、實現(xiàn)定制硬件的可能性，以及與其他半導(dǎo)體器件的連接都有很大的靈活性。

容易更新：采用FPGA的產(chǎn)品能夠適應(yīng)協(xié)議和功能需求的變化。因此，這類產(chǎn)品能夠避免過時，容易進行更新。

性能成熟：FPGA中的吉比特收發(fā)器模塊能夠保證具有時序裕量。圖3中的PCI Express眼圖經(jīng)過驗證，符合PCI-SIG標準。這意味著，用戶甚至在啟動設(shè)計之前，就可以確信產(chǎn)品的兼容性。

圖3 Stratix II GX 中的PCI Express接口符合PCI-SIG

使用方便：FPGA供應(yīng)商還提供開發(fā)板、參考設(shè)計和設(shè)計指南，降低了實現(xiàn)PCI Express接口的難度。例如，Altera提供界面友好的PCI編譯器工具，很容易在Stratix II GX FPGA中對多通路PCI Express接口進行定制、構(gòu)建和測試（圖4）。

圖4 使用方便的PCI編譯器軟件工具

通用性：Stratix II GX FPGA在與其他PCI Express兼容器件在通用性上成功地通過了測試，例如Freescale公司的PowerQUICC III處理器。

FPGA中集成了吉比特收發(fā)器之后，以前采用分立收發(fā)器芯片的高速系統(tǒng)設(shè)計人員，現(xiàn)在可以充分利用FPGA的靈活性以及產(chǎn)品及時面市的優(yōu)勢，將精力集中在創(chuàng)造更高效能和降低風(fēng)險上，同時他們還能夠及時應(yīng)對市場上的各種需求變化。

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