基于基于Xilinx FPGA的的PCIE接口实现接口实现
作者：石峰,吴建飞,刘凯,徐欣随着系统性能、功能和带宽的日益增长,总线技术也在迅速的发展。海量存储,卫星
通讯,高速数据采集与记录以及其他数据处理的数据吞吐量现以KMbps为量级,未来计算机系统对带宽和扩
随着系统性能、功能和带宽的日益增长,总线技术也在迅速的发展。海量存储,卫星通讯,高速
本文研究了采用NXP公司的PC I Exp ress接口协议芯片PX1011A和Xilinx公司Spartan - 3 FPGA实现PC IE接口的硬件电路设
计以及使用Xilinx公司提供的PC I Exp ress LogiCORE IP核的软件设计。
2 PCIE总线和总线和PX1011A的介绍的介绍
2. 1 PCIE总线的介绍总线的介绍
PC I Exp ress是用来互连诸如计算和通信平台应用中外围设备的第三代I/O总线技术,第一代总线包括ISA、E ISA、VESA和微
通道(Micro Channel)总线,而第二代总线则包括了PCI、PC I - X和AGP。PCI Exp ress是一种能够应用于一种设备、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。
PC IE最初由Intel发展,并于1992年在市场发布。PC IE的体系结构继承了第二代总线体系结构最有用的特点,并且采用了计算机
体系结构中新的开发成果。它保留了原先的通讯模型和下载配置机制,但抛弃了共享总线的方式,采用点到点的总线连接方式。
由于它提供了更高的性能特点和越来越大的带宽,从而解决了PC I、PCI - X和AGP的许多缺点,是以后PC发展必然采用的接口
总线,其必将取代PCI, PC I - X以及图形加速器(AGP) 。
PC IE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PC IE的卡都可以插到带有PCI的操作系统使用;在硬
件上,两者不兼容, PCIE取代PC I、PCI - X的并行多路总线结构,采用了一种串行、点到点的总线连接结构,需要的接口更少。
2. 2 单通道物理层 单通道物理层
NXP公司的PX1011A 是一款与低成本FPGA一起使用而优化的单通道2. 5Gbp s的PC I Exp ressPHY器件。它具有很小的封
装,可提供卓越的发射和接收性能,符合PCI Exp ress规范v1. 0a和v1. 1。它通过采用用于传输和接收数据的同步时钟源来提高
片外应用的性能。
数据由接收器的差分输入接口进入PX1011A,在被传送到解串化电路之前,这些数据将小振幅的差分信号变为轨对轨的数字信
号。一个载波检测电路将检测线路上是否有数据并将这些信息传送到SERDES和PCS上。SERDES将这些数据串行为10位并
行数据。然后PCS采用8位/10位解码器来恢复成8位数据格式。
在发送过程中,来自P IPE接口的8位数据通过一个8位/10位编码算法进行编码。8 位/10 位编码确保串行数据被直流平衡以避免
交流耦合系统中的基带漂移,它同时确保足够的数据转换以避免接收端的时钟恢复。
PX1011A的MAC接口采用独立的时钟,由片内100MHz的基准时钟的锁相环来产生。锁相环有一个相对较高的带宽来实现可选
的扩频并减少EM I。8bit 数据接口在250MHz 上运行并进行SSTL2信号发送,这种模式与流行的FPGA I/O接口兼容。
3 基于 基于PX1011A收发器芯片的硬件电路设计收发器芯片的硬件电路设计
3. 1 PX1011A收发器芯片硬件电路设计收发器芯片硬件电路设计
PC IE接口硬件电路如图1 所示,包括三个部分:第一部分是PX1011A 与FPGA 的连接信号线,包括8位的接收发送信号TXD [ 7: 0
]和RXD [ 7: 0 ] ,控制信号RX_DATAK、RX_VAL ID、RX_CLK、RX_E IDLE、RX_POLAR、RX_PHY_STAT、TX_DATAK、
TX_CLK、TX_EIDLE、TX_COMP、TX_DET_LOOP、TX_PWRDN0、TX_PWRDN1,状态信号STAT0、STAT1、STAT2和
复位信号RESET。第二部分是PX1011A与PCIE接口的连接信号线,包括差分接收信号,差分发送信号, 差分时钟信号。第三部分
是PCIExp ress的配置接口,包括PCIE _ TMS、PCIE _ TCK、PCIE_TDO、PCIE_TD I和PCIE_TRST。
FPGA 选用Xilinx 公司的Spartan - 3 系列XC3S1000,采用90nm 材料生产,容量高、成本低。具有业界一流的区块和分布,具有
多达784个I/O、MicroB laze 32位R ISC软处理器和支持乘法累加器(MAC)功能(专用18x18乘法器提供高达3300 亿
次MAC /秒)的嵌入XtremeDSP功能。
Xilinx Spartan - 3 PCI Exp ress设计包括一个PCI Exp ress P IPE Endpoint LogiCore。Xilinx低成本Spartan - 3系列提供PCI
Exp ress协议层核。PC IE P IPE Endpoint LogiCORE整合了分立的PCIE PHY,提供了全面的、完全符合PC I Exp ress基础规
范( PCIExp ressBase Specification) v1. 1的PCIE端点解决方案。
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