用FPGA構建PCI Express端點器件的最佳平臺

　　PCI Express是一種使用時鐘數(shù)據(jù)恢復(CDR)技術的高速串行I/O互連機制。PCI Express第一代規(guī)范規(guī)定的線速率為每通道2.5Gbps，可以讓您建立具備單通道(x1)鏈路2Gbps(經(jīng)8B/10B編碼)直至32通道64Gbps吞吐量的應用。這樣就能在保持或改進吞吐量的同時，顯著減少引腳數(shù)量。另外，還可以減小PCB的尺寸、降低印制線和層的數(shù)量，并簡化布局和設計。引腳數(shù)量減少，也就意味著噪聲和電磁干擾(EMI)降低。CDR消除了寬并行總線中普遍存在的時鐘-數(shù)據(jù)歪斜問題，簡化了互連實現(xiàn)。

　　PCI Express互連架構主要針對基于PC的系統(tǒng)，但就像PCI一樣，PCI Express也很快轉移到其他系統(tǒng)類型，如嵌入式系統(tǒng)。它規(guī)定了三種類型器件：根聯(lián)合體(root complex)、交換器件和端點(圖1)。根聯(lián)合體大致等同于PCI主機，CPU、系統(tǒng)存儲器和圖形控制器與之相連接。由于PCI Express的點對點特性，必須使用交換器件來增加系統(tǒng)功能的數(shù)量。PCI Express交換器件將上游端的根聯(lián)合體器件連接到下游端的端點。

　　圖1：PCI Express拓撲結構。

　　端點功能類似于PCI/PCI-X器件。最常用的端點器件有以太網(wǎng)控制器或存儲主機總線適配器(HBA)。FPGA最常用于數(shù)據(jù)處理和橋接功能，所以其最大目標功能就是端點。FPGA實現(xiàn)非常適合于視頻、醫(yī)療影像、工業(yè)、測試和測量、數(shù)據(jù)采集和存儲應用。

　　PCI-SIG(PCI特別興趣小組)采用的PCI Express規(guī)范規(guī)定每個PCI Express器件使用三個不同的協(xié)議層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和事務層。您可以使用單芯片或雙芯片解決方案來構建PCI Express端點。例如，使用Xilinx Spartan-3器件之類的低成本FPGA，您可以用商用離散PCI Express PHY(圖2)來構建數(shù)據(jù)鏈路和事務層。此選項最適合于x1通道應用，如總線控制器、數(shù)據(jù)采集卡和提高性能的PCI32/33器件?；蛘?，您可以使用類似Virtex-5 LXT或SXT FPGA的單芯片解決方案，它們具備集成的PCI Express PHY。此選項最適合于通訊或高清晰音頻/視頻端點器件(圖3)，它們對性能的要求更高：x4(8Gbps吞吐量)鏈路或x8(16Gbps吞吐量)鏈路。

　　圖2：基于Spartan-3 FPGA的數(shù)據(jù)采集卡。

　　在選擇一種技術來實現(xiàn)PCI Express設計之前，必須仔細考慮應用的IP選擇、鏈路效率、兼容性測試及資源可用性。本文中，我們將簡要介紹使用最新的FPGA技術構建單芯片x4和x8通道PCI Express設計的一些因素。

　　圖3：基于Virtex-5 LXT FPGA的視頻應用。

　　IP的選擇

　　作為設計人員，您可以選擇構建自己的軟IP或者向第三方或FPGA供應商購買IP。構建自己的IP的難題在于，您不光得從零開始創(chuàng)建設計，還得擔心驗證、批準、兼容性和硬件評估等環(huán)節(jié)。向第三方或FPGA供應商購買的IP，已經(jīng)過所有嚴格的兼容性測試和硬件評估，可以即插即用。如果使用商用的、已驗證的兼容性PCI Express接口，您可以把精力集中在設計中最有附加值的部分：用戶應用。使用軟IP的難題在于應用的資源可用性。軟IP核的PCI Express MAC層、數(shù)據(jù)鏈路層和事務層通過可編程架構實現(xiàn)，因此您必須特別注意剩余的Block RAM、查找表和架構資源的數(shù)量。

　　圖4：Virtex-5 LXT FPGA PCI Express端點框圖。

　　另一選擇是使用最新技術的FPGA。Virtex-5 LXT和SXT的專用門電路(圖4)中實現(xiàn)了集成x8通道PCI Express控制器。這種實現(xiàn)極具優(yōu)勢，因為設計是在硬硅片中實現(xiàn)的，所以需要的FPGA邏輯資源數(shù)量達到了最小。例如，在Virtex-5 LXT FPGA中，一個x8通道軟IP核可占用多達10,000個邏輯單元，而硬實現(xiàn)只需要大約500個邏輯單元，多數(shù)用于接口。這樣的資源節(jié)省有時候能允許您選擇更小的器件，而器件越小通常就會越便宜。集成實現(xiàn)通常具有更高的性能、更寬的數(shù)據(jù)通路，并且可通過軟件配置。

　　軟IP實現(xiàn)的另一難題是功能的數(shù)量。通常，此類核僅實現(xiàn)滿足性能或兼容性目標規(guī)范所要求的最少功能。相反，硬IP可以支持基于客戶要求的全面功能列表，并提供完全的兼容性(表1)，且不存在嚴重的性能或資源相關的問題。

　　表1 Virtex-5 LXT FPGA PCI Express功能

　　延遲問題

　　盡管PCI Express控制器的延遲不會對總體系統(tǒng)延遲有很大的影響，但卻會影響接口的性能。使用較窄的數(shù)據(jù)通路有助于減少延遲。

　　對PCI Express來說，延遲就是發(fā)送包并穿過物理層、邏輯層和事務層接收包所需的周期數(shù)。典型的x8通道PCI Express端點的延遲為20-25周期，在250MHz下對應80-100ns的延遲時間。如果使用128位的數(shù)據(jù)通路實現(xiàn)接口來簡化時序(如125MHz)，延遲會加倍為160-200ns。在最新的Virtex-5 LXT和SXT器件中，無論是軟IP實現(xiàn)還是硬IP實現(xiàn)，都采用250MHz下的64位數(shù)據(jù)通路實現(xiàn)x8。

　　鏈路效率

　　鏈路效率是延遲、用戶應用設計、有效載荷大小和額外開銷的函數(shù)。隨著有效載荷大小(通常稱為最大有效載荷)的增加，有效鏈路效率也會增加。這是由包的額外開銷固定不變這一事實造成的;如果有效載荷大，效率就提高。一般情況下，256字節(jié)的有效載荷可提供93%的理論效率(256有效載荷字節(jié)+12包頭字節(jié)+8幀字節(jié))。盡管PCI Express允許的包大小可達4KB，但如果有效載荷大小大于256或512字節(jié)，大多數(shù)系統(tǒng)的性能都無法提高。由于鏈路協(xié)議額外開銷(ACK/NAK、包重新發(fā)送)和流程控制協(xié)議，在Virtex-5 LXT FPGA中實現(xiàn)x4或x8PCI Express的鏈路效率為88-89%。

　　利用FPGA實現(xiàn)可以更好地控制鏈路效率，因為它允許您選擇與端點實現(xiàn)對應的接收緩沖器尺寸。如果鏈接雙方不是采用相同的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)通路，則二者的內(nèi)部延遲會不同。例如，如果一號鏈接方使用64位、250MHz實現(xiàn)，延遲為80ns，而二號鏈接方使用128位、125MHz實現(xiàn)，延遲為160ns，該鏈路的組合延遲即為240ns?，F(xiàn)在，如果一號鏈接方的接收緩沖器設計成160ns的延遲(即期待其鏈接對方也是64位、250MHz實現(xiàn))，那么鏈路效率就會降低。如果采用ASIC實現(xiàn)，就不可能改變接收緩沖器的尺寸，效率損失將是實實在在的，而且是永久性的。

　　用戶應用程序設計也會對鏈路效率有所影響。用戶應用程序必須設計成定期排空PCI Express接口的接收緩沖器，并保持發(fā)送緩沖器時刻充滿。如果用戶應用程序不立即使用接收的包(或者不立即響應發(fā)送請求)，無論接口的性能如何，總鏈路效率都會受到影響。

　　使用某些處理器設計時，如果處理器不能執(zhí)行大于1 DWORD的突發(fā)，則需要實現(xiàn)一個DMA控制器。這將造成鏈路利用不充分，效率不佳。大多數(shù)嵌入式CPU可以發(fā)送長于1 DWORD的突發(fā)，所以通過良好的FIFO設計就可以有效地管理這些設計的鏈路效率。

　　PCI Express兼容性

　　兼容性是經(jīng)常被遺漏和低估的重要細節(jié)。如果要構建必須與其他應用和設備一起工作的PCI Express應用，則必須確保設計的兼容性。

　　兼容性不只針對IP，而是針對整個解決方案，包括IP、用戶應用、半導體器件和硬件板。如果整個解決方案已經(jīng)過PCI-SIG PCI Express兼容性工作組的驗證，就能很好地保證您設計的PCI Express部分會一直有效工作。

　　本文結論：

　　PCI Express已替代PCI成為事實上的系統(tǒng)互連標準，并且已從PC轉移到其他系統(tǒng)市場，包括嵌入式系統(tǒng)設計。FPGA非常適合于構建PCI Express端點器件，因為它允許您創(chuàng)建帶有用戶所需的附加定制功能的兼容性PCI Express器件。

　　類似Virtex-5 LXT和SXT系列的新65nm FPGA完全符合PCI Express v1.1規(guī)范，并為用戶應用提供廣泛的邏輯和器件資源。使用外部PHY的Spartan-3系列FPGA提供了低成本解決方案。這些因素，加上內(nèi)在的可編程邏輯優(yōu)勢(靈活性、可再編程性和低風險)使FPGA成為PCI Express的最佳平臺。