采用中檔FPGA設(shè)計(jì)面向PCI Express系統(tǒng)的解決方案

基于ISA(工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu))總線的首個(gè)擴(kuò)展卡最初在1978年問世，由于要求提升系統(tǒng)整體性能，MCA(微通道架構(gòu))等總線系統(tǒng)或是擴(kuò)展的ISA總線隨后也相繼出現(xiàn)。鑒于數(shù)據(jù)通道寬度(主要是8或16位)和總線架構(gòu)的速度問題，許多標(biāo)準(zhǔn)都限制了帶寬。此外，萬一錯(cuò)誤配置了總線，很難確定差錯(cuò)在哪里，因此調(diào)試這個(gè)系統(tǒng)時(shí)就會(huì)遇到各種問題。根據(jù)這些舊的總線標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)驗(yàn)，新的標(biāo)準(zhǔn)PCI(外設(shè)部件互連)最終得以確定。本文將探討PCI標(biāo)準(zhǔn)的局限性，以及下一代PCI Express是如何以節(jié)約成本的方式得以實(shí)現(xiàn)的。

為了克服舊標(biāo)準(zhǔn)的上述局限，1992年人們建立了PCI。其目的是構(gòu)建一個(gè)更高帶寬的標(biāo)準(zhǔn)，有即插即用功能和更穩(wěn)健的協(xié)議。PCI協(xié)議支持差錯(cuò)校驗(yàn)，通過與計(jì)算機(jī)的BIOS(基本輸入輸出系統(tǒng))通信實(shí)現(xiàn)即插即用功能，并通過標(biāo)準(zhǔn)的控制/狀態(tài)軟件接口就地址范圍或PCI插卡功能等信息進(jìn)行交換。如果出現(xiàn)地址范圍重疊等差錯(cuò)，計(jì)算機(jī)本身可以提供一些反饋。一個(gè)基本的32位33MHz的PCI系統(tǒng)，可支持的傳輸速率高達(dá)132MBps。但是，這個(gè)架構(gòu)也有一些限制因素。總線是單向的(發(fā)起方和被請(qǐng)求的目標(biāo)設(shè)備不能在同一時(shí)間進(jìn)行通信)，且?guī)讉€(gè)卡要共享一條總線。如果一張卡正在傳輸數(shù)據(jù)，所有其他的可訪問總線的部件必須等待。此外，在系統(tǒng)中無法處理PCI帶寬的低性能卡將進(jìn)行“重試”請(qǐng)求，以確保有更多時(shí)間來處理數(shù)據(jù)。這就大大降低了整個(gè)系統(tǒng)的帶寬。PCI的另一個(gè)限制是各種應(yīng)用對(duì)所需求帶寬不斷增加，特別是在視頻、通信和總線領(lǐng)域。圖1列出的一些應(yīng)用，已經(jīng)接近或超過了理論上的PCI帶寬132MBps。

圖1：各種應(yīng)用的帶寬需求對(duì)比理論上PCI提供的132MBps。

PCI還有其他一些缺點(diǎn)，如限制只能有5個(gè)部件訪問總線。由于PCI總線特殊的無端接總線的反射，電路板的設(shè)計(jì)也更加困難。數(shù)據(jù)路徑寬度為32或64位的并行線也對(duì)時(shí)序有苛刻的要求。

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，PCI-SIG(PCI特別興趣小組)與行業(yè)內(nèi)的領(lǐng)先公司合作，定義了PCI的下一代標(biāo)準(zhǔn)。新標(biāo)準(zhǔn)最初被稱為3G IO(第三代輸入輸出)，后來改名為大家熟悉的PCI Express。PCI Express的首個(gè)規(guī)范于2002年4月公布，其解決了原有PCI標(biāo)準(zhǔn)的所有限制因素。為了克服無端接的大量并行總線并增加帶寬，PCI Express轉(zhuǎn)變?yōu)檫\(yùn)行速率2.5Gbps的串行鏈路，提供兩個(gè)方向同時(shí)進(jìn)行的2Gbps的原始數(shù)據(jù)率。為了滿足更高的帶寬要求，規(guī)范允許使用幾個(gè)并行的“通道”。因此對(duì)于目前計(jì)算機(jī)的低帶寬應(yīng)用，有很多x1和x4通道；對(duì)于有高帶寬的要求，例如顯卡，則有x16的插槽。

由于PCI Express規(guī)范使用基于層的協(xié)議，類似于OSI的層次模型，它很容易改變物理層和保留上層協(xié)議。這種做法已被最近發(fā)布的PCI Express 2.0規(guī)范所采納，使得鏈路速度高達(dá)5Gbps。然而，大多數(shù)新的設(shè)計(jì)開始仍然是基于PCI Express 1.1版本的2.5Gbps。

一個(gè)PCI Express系統(tǒng)可以用幾個(gè)部件組成。所有的系統(tǒng)都需要有一個(gè)根聯(lián)合體(Root Complex)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行管理。交換設(shè)備(Switch)是用來將幾個(gè)卡連接到另一個(gè)PCI Express鏈路，“端設(shè)備”則代表了用戶應(yīng)用。橋接是端設(shè)備的特殊形式，可以將舊的PCI應(yīng)用連接至PCI Express總線。FPGA主要用于端設(shè)備或橋接應(yīng)用。

在PCI Express應(yīng)用中FPGA起著重要的作用，主要有三種設(shè)計(jì)方法：

*PCI-Express至PCI橋和FPGA

*外部的PCI-Express PHY和FPGA

*PCI-Express的PHY集成在FPGA之中

第一種使用PCI-Express至PCI橋的方法，優(yōu)點(diǎn)是可以重用舊的PCI設(shè)計(jì)，但由于額外的橋接單元，成本很高。在橋和FPGA之間，這個(gè)應(yīng)用仍然被PCI的缺點(diǎn)所限制，在成本方面處于不利地位。

圖2A和2B

當(dāng)僅需純粹的PCI Express接口，而不需要其它邏輯時(shí)，外部的PCI Express PHY和FPGA(圖2A)相結(jié)合可能極具吸引力。利用被稱為PIPE的并行接口，PCI Express PHY可以連接到FPGA。雖然PIPE接口被認(rèn)為是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，但不同廠商在實(shí)現(xiàn)方面有著細(xì)微的差別，因此物理層芯片就不容易互換。此外，工業(yè)級(jí)的外部PCI Express PHY芯片也不太容易買到，要不就是價(jià)格昂貴。此外，許多應(yīng)用程序使用領(lǐng)先的器件，可用的領(lǐng)先的PCI Express PHY芯片也是很有限的。

因此，如果只有一個(gè)PCI Express接口鏈路，而且在FPGA中只要少量的額外邏輯(除了溫度范圍的限制，以及可用的領(lǐng)先器件)，這種做法頗有意義。對(duì)于所有其他應(yīng)用，最好是考慮一個(gè)整合的解決方案，如圖2B所示。

如果采用整合的解決方案，首個(gè)挑戰(zhàn)是尋找一個(gè)低成本的器件。在過去，PCI Express需要的串行鏈路一般只在高端昂貴的FPGA中才有。然而，今天許多應(yīng)用需要較低成本的解決方案。中檔LatticeECP2M，或最近推出的LatticeECP3 FPGA系列，擁有適合這種應(yīng)用的一些功能。這兩種器件都集成了可用于實(shí)現(xiàn)PCI Express x1或x4的串行通道。除了低成本優(yōu)勢(shì)外，與高端FPGA解決方案相比，這兩類器件的功耗也非常低。該“節(jié)能方案”使系統(tǒng)工程師能夠降低功耗，因此只需要使用較小供電電源。圖3展示了近期推出的ECP3 FPGA系列的結(jié)構(gòu)圖。

圖3：LatticeECP3中檔FPGA框圖，內(nèi)有集成的SERDES模塊。

利用這些FPGA的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它們能夠處理PCI Express使用的擴(kuò)頻時(shí)鐘。許多其他的“單芯片”解決方案推薦使用外部的PLL和去除抖動(dòng)來處理時(shí)鐘，這意味著電路板上會(huì)有兩到三個(gè)額外的器件。這些器件也可用在工業(yè)溫度范圍。

既然這些FPGA的串行鏈路只能實(shí)現(xiàn)物理層的SERDES部分，所以需要額外的邏輯來實(shí)現(xiàn)完整的PCS。這由軟IP核來完成，它可以配置成x1或x4 PCI Express端點(diǎn)。萊迪思的ispLEVER設(shè)計(jì)軟件包括一個(gè)稱為IPexpress的工具，通過GUI來配置功能，如PLL、存儲(chǔ)器等，還有軟IP。PCI Express核可從萊迪思網(wǎng)站上下載，使用IP Express進(jìn)行配置并產(chǎn)生編程文件。即使沒有有效許可證，也可以運(yùn)行這個(gè)應(yīng)用數(shù)小時(shí)，從而獲得一個(gè)全面的系統(tǒng)評(píng)估。

為了符合系統(tǒng)的需要，配置PCI Express核的某些功能是非常重要的。例如， PCI Express提供不同的有效載荷大小。有效載荷的規(guī)模越大，核中需要的FIFO也越大。為了節(jié)約資源，可以通過IPexpress來選擇針對(duì)PCI Express核的正確有效載荷的大小。還有一些應(yīng)加以調(diào)整的其他參數(shù)，以針對(duì)系統(tǒng)要求優(yōu)化FPGA的利用率。

在許多項(xiàng)目開發(fā)中，只有在開發(fā)后期才能得到樣機(jī)電路板。為了熟悉PCI Express的協(xié)議，可從萊迪思獲取PCI Express設(shè)計(jì)套件。該套件包含了電路板，可用于x1或x4的插槽，并有一些演示配置：

* 基本方法

o 用戶訪問內(nèi)存和寄存器

o 在電腦上運(yùn)行演示與在電路板上的PCIe IP核之間提供簡(jiǎn)單的互動(dòng)

* 吞吐量

o 在PCIe核和SERDES之間演示和測(cè)量帶寬性能

* Scatter Gather DMA

o 使用DMA在PC機(jī)內(nèi)存和PCI Express卡之間傳送數(shù)據(jù)

設(shè)計(jì)人員可以選擇使用其中一個(gè)準(zhǔn)備好的編程文件，在30分鐘內(nèi)構(gòu)建一個(gè)完整的演示。套件不僅提供了硬件設(shè)計(jì)文件，而且還提供驅(qū)動(dòng)程序和運(yùn)行在PC上的應(yīng)用程序，這樣就為設(shè)計(jì)人員的應(yīng)用提供了一個(gè)良好的起點(diǎn)。圖4展示了萊迪思的一個(gè)完整的PCI Express演示設(shè)計(jì)。

圖4：Lattice PCI Express的演示。

用協(xié)議分析儀和示波器可以調(diào)試系統(tǒng)。但是，利用功能或者RTL級(jí)仿真時(shí)，設(shè)計(jì)人員已經(jīng)可以找到許多問題。

系統(tǒng)調(diào)試的三個(gè)主要方法：

* 串行環(huán)回

* 激勵(lì)發(fā)生器和測(cè)試器

* 總線功能模型

萊迪思的PCI Express核包含一個(gè)簡(jiǎn)單的采用串行環(huán)回的測(cè)試平臺(tái)。借助一些來自測(cè)試平臺(tái)的互動(dòng)建立PCI Express鏈路，并發(fā)送一些數(shù)據(jù)包。這是仿真設(shè)計(jì)的非常基本的方法。

一個(gè)更先進(jìn)的方法是使用激勵(lì)發(fā)生器和測(cè)試器。FPGA中串行鏈路的仿真模型被一個(gè)模型所取代，后者生成數(shù)據(jù)包，并檢查FPGA內(nèi)的邏輯響應(yīng)。

最全面且成本昂貴的方法是建立總線功能模型。有幾個(gè)供應(yīng)商提供PCI Express的仿真模型。根據(jù)總線功能模型，設(shè)計(jì)人員可以測(cè)試應(yīng)用程序，以及FPGA的串行鏈路與整個(gè)系統(tǒng)的互動(dòng)。