基于Virtex5的PCI-Express总线接口设计

　　PCI Express是由Intel，Dell，Compaq，IBM，Microsoft等PCI SIG联合成立的Arapahoe Work Group共同草拟并推举成取代PCI总线标准的下一代标准。PCI Express利用串行的连接特点能轻松将数据传输速度提到一个很高的频率，达到远远超出PCI总线的传输速率。一个PCI Express连接可以被配置成x1，x2，x4，x8，x12，x16和x32的数据带宽。x1的通道能实现单向312.5 MB／s(2.5 Gb／s)的传输速率。Xilinx公司的Virtex5系列FPGA芯片内嵌PCI-ExpressEndpoint Block硬核，为实现单片可配置PCI-Express总线解决方案提供了可能。

  
     本文在研究PCI-Express接口协议和PCI-Express Endpoint Block硬核的基础上，使用Virtex5LXT50 FPGA芯片设计PCI Express接口硬件电路，实现PCI-Express数据传输。  
     1 PCI Express的拓扑结构 　　  
     PCI Express是一种能够应用于点设备、台式电脑、工作站、服务器、嵌入式计算机和通信平台等所有周边I／O设备互连的总线。其拓扑结构如图1所示，其中包含ROOT COMPLEX(RC)、多个终端(I／O器件)、开关和PCI Express／PCI桥路，它们通过PCI Express进行互联。  
        
     RC是I／O层次的根部，将CPU／存储器子系统与I／O相连。RC可以支持一个或多个PCI Express端口，例如英特尔芯片组。  
     开关定义为多个虚拟PCI之间的桥路器件的逻辑组，它们使用一种基于地址路由的PCI桥路机制来传递执行信息，例如IDT PCI Express开关。  
     端点是指能作为PCI Express执行的请求者或完成者的那一类器件，可以是PCI Express自身，也可以是一个非PCI Express器件，例如连接在PCI Express上的图形控制器。  
     PCIE总线保留了对于PCI局部总线协议全部软件的向下兼容性，即只要是PCIE的卡都可以插到支持PCI的操作系统上使用；在硬件上，两者不兼容，PCIE取代PCI，PCI-X的并行多路总线结构，采用一种串行、点到点的总线连接结构，需要的接口更少。  
     2 Virtex 5 Lxt PCIE Endpoint block 　　  
     Virtex 5 Lxt PCIE Endpoint block集成了PCIE协议中的物理层(PHY)、数据链接层(DLL)和传输层(TL)，同时它还实现了PCI-Express设备的功能配置寄存器，其结构框图如图2所示，包含有以下几个接口：时钟和复位接口、配置和状态接口、电源管理接口、用户接口和传输层接口。  
        
     Virtex 5 Lxt PCIE Endpoint block具有PCI-Express的完整功能，完全符合PCIe基本规格v1.1版要求，作为FPGA内部的硬核，它是可配置的PCIe端点解决方案，大大增加设计的灵活性，降低设计的RNE费用，并且支持1x，2x，4x或8x通道的实现，为系统的功能扩张提供了有效途径；带有内置PCIe端点模块的Virtex-5 LXT FPGA芯片，能够被用于任何一种外形的产品设计，如表1所示。  
        
     3 总线接口设计实现 　　  
     3.1 接口硬件设计 　　  
     接口硬件主要由主控FPGA模块，电源管理模块，DDR高速缓存模块、和时钟管理模块组成。硬件结构框图如图3所示。  
        
     FPGA是整个设计的最关键部分，主要实现：PCI-Express硬核；在硬核的用户接口和传输接口实现PCI-Express传输本地总线的时序逻辑；并且在其内部完成DDR控制时序逻辑。FPGA是PCI-Express接口和DDR内存单元数据传输的通道。这里选择XilinxVirtex5系列FPGA中的V5LX50T芯片，封装形式为FFGll36。  
     在整个电路中，FPGA的功耗最大，因此在电源模块设计中，重点考虑FPGA因素。FPGA的功耗与设计有关，主要取决于器件的型号、设计的时钟频率、内部设计触发器翻转率和整个FPGA的资源利用率。这里使用Xilinx功耗分析工具XPower进行功耗分析，根据XPower提供的动态功耗和静态功耗分析结果，选择TI公司的相关电源模块。  
     DDR是比较常用的高速缓存单元，这里选择使用现代公司的HY5DU56822DT-D4，在PCI-Express传输过程中，对时钟的稳定性要求很高；Virtex5 FPGA内部的CMT模块的时钟综合处理能力可能达不到预想的效果，这里使用专门的时钟管理单元提供时钟，选择的是ICS874003芯片，通过FPGA管脚控制其时钟综合的效果。  
     3.2 软件设计 　　  
     在实现PCI-Express数据传输过程中，构建数据传输流程如图4所示。  
        
     数据从PC内存通过PCI-Express接口向下传输到FPGA内部，FPGA内部DDR控制逻辑再将数据传输到的DDR内存芯片中存储，向下传输完毕后，FPGA内部逻辑从DDR芯片中将存储的数据读出，并且给每个数据按字节加‘1’，然后通过PCI-Express接口，再将数据传输回PC内存，PC内存程序对数据进行校验。  
     4 结 语 　　  
     Virtex5系列FPGA芯片内嵌PCI-Express End-point Block硬核，为实现单片可配置PCI-Express总线解决方案提供了可能。基于Virtex5 FPGA的PCIExpress设计实现方式简单、配置灵活，适合于各种应用领域，降低了设计成本，缩短了产品上市时间，保证了产品的功能性和易用性，开创了高效率PCI Express开发的新时代。