基于Virtex5的PCI-Express總線接口設計

PCI Express是由Intel，Dell，Compaq，IBM，Microsoft等PCI SIG聯合成立的Arapahoe Work Group共同草擬并推舉成取代PCI總線標準的下一代標準。PCI Express利用串行的連接特點能輕松將數據傳輸速度提到一個很高的頻率，達到遠遠超出PCI總線的傳輸速率。一個PCI Express連接可以被配置成x1，x2，x4，x8，x12，x16和x32的數據帶寬。x1的通道能實現單向312.5 MB／s(2.5 Gb／s)的傳輸速率。Xilinx公司的Virtex5系列FPGA芯片內嵌PCI-ExpressEndpoint Block硬核，為實現單片可配置PCI-Express總線解決方案提供了可能。

本文在研究PCI-Express接口協議和PCI-Express Endpoint Block硬核的基礎上，使用Virtex5LXT50 FPGA芯片設計PCI Express接口硬件電路，實現PCI-Express數據傳輸。

1 PCI Express的拓撲結構

PCI Express是一種能夠應用于點設備、臺式電腦、工作站、服務器、嵌入式計算機和通信平臺等所有周邊I／O設備互連的總線。其拓撲結構如圖1所示，其中包含ROOT COMPLEX(RC)、多個終端(I／O器件)、開關和PCI Express／PCI橋路，它們通過PCI Express進行互聯。

RC是I／O層次的根部，將CPU／存儲器子系統與I／O相連。RC可以支持一個或多個PCI Express端口，例如英特爾芯片組。

開關定義為多個虛擬PCI之間的橋路器件的邏輯組，它們使用一種基于地址路由的PCI橋路機制來傳遞執行信息，例如IDT PCI Express開關。

端點是指能作為PCI Express執行的請求者或完成者的那一類器件，可以是PCI Express自身，也可以是一個非PCI Express器件，例如連接在PCI Express上的圖形控制器。

PCIE總線保留了對于PCI局部總線協議全部軟件的向下兼容性，即只要是PCIE的卡都可以插到支持PCI的操作系統上使用；在硬件上，兩者不兼容，PCIE取代PCI，PCI-X的并行多路總線結構，采用一種串行、點到點的總線連接結構，需要的接口更少。

2 Virtex 5 Lxt PCIE Endpoint block

Virtex 5 Lxt PCIE Endpoint block集成了PCIE協議中的物理層(PHY)、數據鏈接層(DLL)和傳輸層(TL)，同時它還實現了PCI-Express設備的功能配置寄存器，其結構框圖如圖2所示，包含有以下幾個接口：時鐘和復位接口、配置和狀態接口、電源管理接口、用戶接口和傳輸層接口。

Virtex 5 Lxt PCIE Endpoint block具有PCI-Express的完整功能，完全符合PCIe基本規格v1.1版要求，作為FPGA內部的硬核，它是可配置的PCIe端點解決方案，大大增加設計的靈活性，降低設計的RNE費用，并且支持1x，2x，4x或8x通道的實現，為系統的功能擴張提供了有效途徑；帶有內置PCIe端點模塊的Virtex-5 LXT FPGA芯片，能夠被用于任何一種外形的產品設計，如表1所示。