PCIe总线体系概述与基于FPGA的PCIe接口的实现

　　PCI Express（PCIe）是一种高性能互连协议，可应用于网络适配、图形加速、服务器、大数据传输、嵌入式系统等领域。PCIe协议在软件层上可兼容于PCI和PCI—X，但同时也有明显的不同。在两个设备间，其是一种基于数据包、串行、点对点的互连，因此所连接设备独享通道带宽。根据使用的版本号和通道数，其性能具有可扩展性。对于PCIe 2.0，每条通道在每个方向上的数据传输速率是5.0 Gbit·s-1。从PCIe×1～PCIe×16，能满足一定时间内出现的低速设备和高速设备的需求。

　　Altera提供了兼容于PCIe 1.0和PCIe 2.0的解决方案，无论是作为根节点还是端点，都可以通过嵌入在FPGA内部的可配置硬核IP模块实现，而不占用可编程资源，这既节省了资源也提高了应用的可靠性。Altera的IP编译器可以提供×1，×2，×4，×8的通道接口。本文主要介绍采用Cyclone IV GX系列的FPGA来实现×4的PCIe接口所涉及的硬件电气规范、协议规范等。

　　1 PCIe总线体系和Cyclone IV GX

　　1.1 PCIe总线体系概述

　　PCI Express是一种基于数据包、串行、点到点的高性能互连总线协议。其定义了一种分层的体系结构，包括软件层、处理层、数据链路层和物理层。其中软件层是保持与PCI总线兼容的关键，PCIe采用与PCI和PCI—X相同的使用模型和读写通信模型。支持各种常见事物，如存储器读写事物，IO读写事物和配置读写事物。而且由于地址空间模型没有变化，所以现有的操作系统和驱动软件无需进行修改即可在PCIe系统上运行。此外PCIe还支持一种称为消息事物的新事物类型。这是由于PCIe协议在取消了许多边带信号的情况下，需要有替代的方法来通知主机系统对设备中断，电源管理，热插拔支持等进行服务。

　　1.2 Altera Cyclone IV GX系列FPGA

　　Cyclone IV GX FPGA采用Altera成熟的GX收发器技术，具有出众的抖动性能和优异的信号完整性。利用灵活的收发器时钟体系结构，可充分利用收发器所有可用资源，实现多种协议。Cyclone IV GX FPGA为根端口和端点配置的PCI Express×1、×2和×4提供唯一的硬核知识产权（IP）模块。因此不用再接入其他专用的PCIe协议芯片，即可实现端到端的高速数据传输。

　　Cyclone IV系列的FPGA还支持一系列外部存储器，包括DDR2 SDRAM，DDR SDRAM，QDR SDRAM。Altera可提供速度最快、效率最高、最低延迟的存储器控制器，使得FPGA可以接入现有的更高速的存储器件。专用的DQS和DQ引脚在芯片级的布线上进行优化以减少抖动和增大余量上，且固定在芯片四周的特定位置。高速外部存储器在众多应用中是重要的系统组成部分，如视频图像处理，数据通信与存储，以及DMA等。