FPGA在PCI Express總線接口中的應用

引言
　　PCIE(PCI express)是用來互聯(lián)諸如計算機和通信平臺應用中外圍設備的第三代高性能I／0總線。PCIE體系結構繼承了第二代總線體系結構最有用的特點，采用與PCI相同的使用模型和讀／寫通信模型，支持各種常見的事務。其存儲器、I／0和配置地址空間與PCI的地址空間相同。由于地址空間模型沒有變化，所以現有的OS和驅動軟件無需進行修改就可以在PCIE系統(tǒng)上運行。

　　PCIE是串行協(xié)議，與原有的PCI并行總線相比，它沒有大量的數據和控制線，對于硬件電路設計者來說，省去了很多硬件設計工作。PCIE的傳輸速度遠遠大于PCI總線，PCIE1．1版本單個鏈路的單向吞吐量能達到250 MB／s。對于需要與主機進行大容量傳輸的系統(tǒng)來說，該總線標準的優(yōu)勢是非常明顯的。

　　由于PCIE總線硬件設計簡單，吞吐量大，軟件向下兼容，只要找到合適的總線接口芯片，很容易將現有的PCI總線設備升級為PCIExpress設備。Altera公司最新推出的EP2SGX90系列的芯片，給用戶提供了PCIE接口IP核。本文將結合實際的應用，詳細介紹該IP核的使用情況，包括寄存器設置，DMA操作等。

　　1 功能描述及參數設置

　　按照PCIE協(xié)議的要求，該FPGA的IP核也采用三層體系結構，即傳輸層、數據鏈路層和物理層。這三層功能模塊完成了PCIE的協(xié)議轉換，在傳輸層上給開發(fā)人員提供了非常豐富的接口。開發(fā)人員的所有開發(fā)，包括DMA傳輸等都是在傳輸層以上進行的。

　　傳輸層(transactiON layer)：完成TLP(數據傳輸包)的收發(fā)，含有虛擬信道(VC)緩沖區(qū)，具有端口仲裁、VC仲裁、流控制、數據重新排序和數據校驗等功能。

　　數據鏈路層(data link layer)：數據鏈路層的主要功能是保證在各鏈路上發(fā)送和接收數據包時數據的完整性。在接收端，對數據進行嚴格的CRC校驗，如果有錯誤，會給發(fā)送方返回1個NAK信號。發(fā)送端具有重傳緩沖區(qū)，如果收到NAK信號，則把數據重新發(fā)送1次。

　　物理層(physical layer)：對于發(fā)送端，接收數據鏈路層的數據包，把這些數據進行8 b／10 b編碼，送到串行發(fā)送器上；對于接收端則剛好相反，收到串行碼后，先解碼，然后送給數據鏈路層。

　　在生成PCIE的IP核時，至少選擇2個存儲區(qū)，一個是BAR[1：O]，用作用戶開發(fā)板的擴展存儲區(qū)用；還有一個是BAR2，下面所有的寄存器操作都是基于該地址的。新生成的IP核不帶有DMA功能，但是在工程文件夾下面有一個xxxx_examples(xxx代表工程名稱)的文件夾，文件夾里有簡單DMA和鏈式DMA的例子代碼，開發(fā)者只需要對這些代碼進行修改，就能開發(fā)出適合自己的DMA功能模塊。

　　2 簡單DMA

　　該DMA傳輸模式相對比較簡單，只需要對相應的寄存器進行設置即可完成，DMA傳輸步驟如下所示，每進行1次DMA傳輸，都需要按照下面的步驟進行1次設置。下面所述的偏移量都是相對于BAR2地址。

　　(1)設置偏移量為0x00和0x04的寄存器，寫入DMA傳輸的主機端地址；
　　(2)設置偏移量為0x14的寄存器，寫入DMA傳輸的PCIE端點地址；
　　(3)在偏移量為0x08的寄存器中寫入本次DMA傳輸的長度，以字節(jié)為單位；
　　(4)設置偏移量為0x0C的寄存器，設置DMA傳輸的屬性，對該寄存器的寫操作將啟動本次DMA傳輸；
　　(5)讀取0x0C的寄存器DMA傳輸狀態(tài)位，察看本次DMA是否完成。

　　3 鏈式DMA

　　鏈式DMA是一種效率遠遠高于簡單DMA的傳輸方式，它只需要1次啟動操作，就可以完成多次DMA傳輸。這里將結合實際使用情況，詳細介紹鏈式DMA的傳輸過程。

　　3．1 描述符表

　　實現鏈式DMA傳輸時，需要開發(fā)人員在主機內存中開辟一塊空間，用來存儲描述符表，它由一個表頭和多個描述符組成，其中每一個描述符對應一次DMA操作。用戶根據自己的需求填寫該描述符表，關于該描述符表的詳細說明如表1和表2所示。

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　　控制區(qū)域中含有一些控制信息，其中第16位用來控制傳輸方向，為O是DMA寫，為1是DMA讀，這里的讀／寫是以主機端為參考的，如果以PCIE核為參考，方向剛好相反。第18位用來使能DMA傳輸計數，如果該位使能為1，那么在DMA傳輸過程中，PCIE核每完成1次DMA操作，都會進行1次計數操作，然后把這個計數結果傳送給主機，主機把這個結果填寫到描述符表的RCLAST字段中。

　　表大小是指本次鏈式DMA操作對應的描述符個數，每個描述符對應一次DMA操作。

　　RCLAST是一個計數單元，它有兩個作用，在鏈式DMA傳輸前，表示還有多少個DMA操作等待傳輸，由于它是從0開始計數的，所以這個值等于表大小減1。還有一個重要作用是在鏈式DMA傳輸過程中，用來表示鏈式DMA傳輸的狀態(tài)。如上所述，如果控制區(qū)域的第18位設置為1，那么每完成1次DMA操作，主機都會更新這個計數器。當計數器的數值(也是從O開始計數的)等于前面設置的期望傳輸的DMA次數，就表示鏈式DMA傳輸操作結束。開發(fā)人員可以用這個狀態(tài)單元來察看本次傳輸是否結束，從而開始一個新的傳輸周期。

　　DMA長度用來設置本描述符對應的DMA傳輸的長度，是以32位為單位的。主機端地址用來指示數據存放存放的位置。