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

如果采用整合的解決方案，首個挑戰(zhàn)是尋找一個低成本的器件。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現(xiàn)PCI Express x1或x4的串行通道。除了低成本優(yōu)勢外，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的另一個優(yōu)點是它們能夠處理PCI Express使用的擴(kuò)頻時鐘。許多其他的“單芯片”解決方案推薦使用外部的PLL和去除抖動來處理時鐘，這意味著電路板上會有兩到三個額外的器件。這些器件也可用在工業(yè)溫度范圍。

既然這些FPGA的串行鏈路只能實現(xiàn)物理層的SERDES部分，所以需要額外的邏輯來實現(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。萊迪思的ispLEVER設(shè)計軟件包括一個稱為IPexpress的工具，通過GUI來配置功能，如PLL、存儲器等，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，也可以運行這個應(yīng)用數(shù)小時，從而獲得一個全面的系統(tǒng)評估。

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)，以針對系統(tǒng)要求優(yōu)化FPGA的利用率。

在許多項目開發(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 在電腦上運行演示與在電路板上的PCIe IP核之間提供簡單的互動

* 吞吐量

o 在PCIe核和SERDES之間演示和測量帶寬性能

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

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級仿真時，設(shè)計人員已經(jīng)可以找到許多問題。

系統(tǒng)調(diào)試的三個主要方法：

* 串行環(huán)回

* 激勵發(fā)生器和測試器

* 總線功能模型

萊迪思的PCI Express核包含一個簡單的采用串行環(huán)回的測試平臺。借助一些來自測試平臺的互動建立PCI Express鏈路，并發(fā)送一些數(shù)據(jù)包。這是仿真設(shè)計的非?；镜姆椒ā?

一個更先進(jìn)的方法是使用激勵發(fā)生器和測試器。FPGA中串行鏈路的仿真模型被一個模型所取代，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)計人員可以測試應(yīng)用程序，以及FPGA的串行鏈路與整個系統(tǒng)的互動。