PCI Express接口标准的特点及在FPGA中的应用

作者：Razak Mohammed Ali，TS Anil Kumar

PCI Express是从PCI发展而来的一种系统互联接口标准。PCI和PCI-X都是基于32位以及64位的并行总线，而PCI Express则使用高速串行总线。PCI Express后向兼容于PCI，能够灵活地提供大峰值带宽。表1对比了三种PCI标准的特性。

表1 PCI标准对比

一对同时工作的发送和接收通道被称为一个通路。发送和接收通道使用低电压差分信号（LVDS）标准传输数据。数据时钟嵌入在每个通道中，以实现非常高的数据速率。

图1 PCI Express链路

一条PCI Express链路由多条通路组成，在链路中增加更多的通路可提高PCI Express链路的带宽。规范支持的链路通路带宽有x1、x4、x8和x16四种。

PCI Express的高级特性包括：

主动功耗管理：在PCI Express中，不管总线上是否有信号传送，总线接口总是一直在工作。空闲状态下，总线上没有任何操作时，这样会导致很高的功耗。为降低功耗，PCI Express提供了主动功耗管理机制，以便降低总线空闲时的功耗。

实时数据流量：PCI Express保证数据包在虚拟通道的给定时间内到达其目的地，实现了不同等级的服务质量（QoS）。

热插拔：PCI Express支持系统工作时的热插拔，缩短了系统更新和调试阶段的停机时间。

误码探测和纠正：由于数据链路层的循环冗余码校验（CRC）功能，PCI Express能够更好地检查数据完整性，进行误码处理，提高总线操作的可靠性，增强数据恢复的能力。

实现PCI Express接口的难点

采用定制逻辑在专用产品中实现PCI Express接口有很多难点：

自适应硬件：设计专用产品所选用的硬件平台必须能够满足PCI Express协议的电气规范和性能要求。在存储器、服务器和背板等典型PCI Express终端应用中，基于PC的网络在带宽需求和数据速率上发展很快。这类产品还需要灵活地适应那些可能替代现有标准的新标准。

系统性能：由于PCI Express链路的预期数据速率在Gbps范围内，因此，时序裕量非常紧张。实现任何PCI Express接口都必须满足系统严格的性能要求。

可靠性：要实现这一协议必须保证产品在可能经受的工作电压和温度（PVT）变化范围内有可靠的性能表现。

通用性：PCI Express接口经常用于连接不同的半导体器件。因此，该协议的产品必须与市场上其他PCI Express器件兼容。

使用方便：对于系统设计人员而言，PCI Express应该实现起来比较简单（或者换句话说，打开包装就能用）。这一般是指能够提供参考设计、界面友好的软件工具、验证设计的原型开发平台，以及完整的文档等。

FPGA中的PCI Express接口

FPGA通常用于桥接使用不同协议的器件。而且，由于逻辑门容量的增加，系统级特性的丰富，以及系统吞吐量的提高，FPGA还被逐步承担系统核心功能。

在最近几年中，FPGA供应商开始采用吉比特收发器模块等硬件IP来实现高数据速率的高速串行I/O接口。例如，Altera公司的Stratix II GX FPGA每通道数据速率高达6.375 Gbps。采用吉比特收发器模块，现在可以在一片FPGA中实现高速串行协议，包括千兆以太网、串行Rapid IO、PCI Express、XAUI和HD-SDI等。

吉比特收发器模块一般包括物理层和物理编码子层（PCS），如图2所示。上层协议以硬件描述语言（HDL）编写的IP在FPGA架构中实现。

图2 PCI Express高速串行I/O

FPGA的PCI Express接口有明显的优势：

灵活性：由于FPGA架构在本质上具有可编程性，因此，采用FPGA的任何产品在通路数量、特性、实现定制硬件的可能性，以及与其他半导体器件的连接都有很大的灵活性。

容易更新：采用FPGA的产品能够适应协议和功能需求的变化。因此，这类产品能够避免过时，容易进行更新。

性能成熟：FPGA中的吉比特收发器模块能够保证具有时序裕量。图3中的PCI Express眼图经过验证，符合PCI-SIG标准。这意味着，用户甚至在启动设计之前，就可以确信产品的兼容性。

图3 Stratix II GX 中的PCI Express接口符合PCI-SIG

使用方便：FPGA供应商还提供开发板、参考设计和设计指南，降低了实现PCI Express接口的难度。例如，Altera提供界面友好的PCI编译器工具，很容易在Stratix II GX FPGA中对多通路PCI Express接口进行定制、构建和测试（图4）。

图4 使用方便的PCI编译器软件工具

通用性：Stratix II GX FPGA在与其他PCI Express兼容器件在通用性上成功地通过了测试，例如Freescale公司的PowerQUICC III处理器。

FPGA中集成了吉比特收发器之后，以前采用分立收发器芯片的高速系统设计人员，现在可以充分利用FPGA的灵活性以及产品及时面市的优势，将精力集中在创造更高效能和降低风险上，同时他们还能够及时应对市场上的各种需求变化。

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