用FPGA构建PCI Express端点器件最佳平台

PCI Express是一种使用时钟数据恢复(CDR)技术的高速串行I/O互连机制。PCI Express第一代规范规定的线速率为每通道2.5Gbps，可以让您建立具备单通道(x1)链路2Gbps(经8B/10B编码)直至32通道64Gbps吞吐量的应用。这样就能在保持或改进吞吐量的同时，显著减少引脚数量。另外，还可以减小PCB的尺寸、降低印制线和层的数量，并简化布局和设计。引脚数量减少，也就意味着噪声和电磁干扰(EMI)降低。CDR消除了宽并行总线中普遍存在的时钟-数据歪斜问题，简化了互连实现。

　　PCI Express互连架构主要针对基于PC的系统，但就像PCI一样，PCI Express也很快转移到其他系统类型，如嵌入式系统。它规定了三种类型器件：根联合体(root complex)、交换器件和端点(图1)。根联合体大致等同于PCI主机，CPU、系统存储器和图形控制器与之相连接。由于PCI Express的点对点特性，必须使用交换器件来增加系统功能的数量。PCI Express交换器件将上游端的根联合体器件连接到下游端的端点。



图1：PCI Express拓扑结构。

　　端点功能类似于PCI/PCI-X器件。最常用的端点器件有以太网控制器或存储主机总线适配器(HBA)。FPGA最常用于数据处理和桥接功能，所以其最大目标功能就是端点。FPGA实现非常适合于视频、医疗影像、工业、测试和测量、数据采集和存储应用。

　　PCI-SIG(PCI特别兴趣小组)采用的PCI Express规范规定每个PCI Express器件使用三个不同的协议层：物理层、数据链路层和事务层。您可以使用单芯片或双芯片解决方案来构建PCI Express端点。例如，使用Xilinx Spartan-3器件之类的低成本FPGA，您可以用商用离散PCI Express PHY(图2)来构建数据链路和事务层。此选项最适合于x1通道应用，如总线控制器、数据采集卡和提高性能的PCI32/33器件。或者，您可以使用类似Virtex-5 LXT或SXT FPGA的单芯片解决方案，它们具备集成的PCI Express PHY。此选项最适合于通讯或高清晰音频/视频端点器件(图3)，它们对性能的要求更高：x4(8Gbps吞吐量)链路或x8(16Gbps吞吐量)链路。

　在选择一种技术来实现PCI Express设计之前，必须仔细考虑应用的IP选择、链路效率、兼容性测试及资源可用性。本文中，我们将简要介绍使用最新的FPGA技术构建单芯片x4和x8通道PCI Express设计的一些因素。



图3：基于Virtex-5 LXT FPGA的视频应用。

　　IP的选择

　　作为设计人员，您可以选择构建自己的软IP或者向第三方或FPGA供应商购买IP。构建自己的IP的难题在于，您不光得从零开始创建设计，还得担心验证、批准、兼容性和硬件评估等环节。向第三方或FPGA供应商购买的IP，已经过所有严格的兼容性测试和硬件评估，可以即插即用。如果使用商用的、已验证的兼容性PCI Express接口，您可以把精力集中在设计中最有附加值的部分：用户应用。使用软IP的难题在于应用的资源可用性。软IP核的PCI Express MAC层、数据链路层和事务层通过可编程架构实现，因此您必须特别注意剩余的Block RAM、查找表和架构资源的数量。



图4：Virtex-5 LXT FPGA PCI Express端点框图。

　　另一选择是使用最新技术的FPGA。Virtex-5 LXT和SXT的专用门电路(图4)中实现了集成x8通道PCI Express控制器。这种实现极具优势，因为设计是在硬硅片中实现的，所以需要的FPGA逻辑资源数量达到了最小。例如，在Virtex-5 LXT FPGA中，一个x8通道软IP核可占用多达10,000个逻辑单元，而硬实现只需要大约500个逻辑单元，多数用于接口。这样的资源节省有时候能允许您选择更小的器件，而器件越小通常就会越便宜。集成实现通常具有更高的性能、更宽的数据通路，并且可通过软件配置。
　　软IP实现的另一难题是功能的数量。通常，此类核仅实现满足性能或兼容性目标规范所要求的最少功能。相反，硬IP可以支持基于客户要求的全面功能列表，并提供完全的兼容性(表1)，且不存在严重的性能或资源相关的问题。

表1 Virtex-5 LXT FPGA PCI Express功能



　　延迟问题

　　尽管PCI Express控制器的延迟不会对总体系统延迟有很大的影响，但却会影响接口的性能。使用较窄的数据通路有助于减少延迟。

　　对PCI Express来说，延迟就是发送包并穿过物理层、逻辑层和事务层接收包所需的周期数。典型的x8通道PCI Express端点的延迟为20-25周期，在250MHz下对应80-100ns的延迟时间。如果使用128位的数据通路实现接口来简化时序(如125MHz)，延迟会加倍为160-200ns。在最新的Virtex-5 LXT和SXT器件中，无论是软IP实现还是硬IP实现，都采用250MHz下的64位数据通路实现x8。
　链路效率

　　链路效率是延迟、用户应用设计、有效载荷大小和额外开销的函数。随着有效载荷大小(通常称为最大有效载荷)的增加，有效链路效率也会增加。这是由包的额外开销固定不变这一事实造成的；如果有效载荷大，效率就提高。一般情况下，256字节的有效载荷可提供93%的理论效率(256有效载荷字节+12包头字节+8帧字节)。尽管PCI Express允许的包大小可达4KB，但如果有效载荷大小大于256或512字节，大多数系统的性能都无法提高。由于链路协议额外开销(ACK/NAK、包重新发送)和流程控制协议，在Virtex-5 LXT FPGA中实现x4或x8PCI Express的链路效率为88-89%。

　　利用FPGA实现可以更好地控制链路效率，因为它允许您选择与端点实现对应的接收缓冲器尺寸。如果链接双方不是采用相同的方式实现数据通路，则二者的内部延迟会不同。例如，如果一号链接方使用64位、250MHz实现，延迟为80ns，而二号链接方使用128位、125MHz实现，延迟为160ns，该链路的组合延迟即为240ns。现在，如果一号链接方的接收缓冲器设计成160ns的延迟(即期待其链接对方也是64位、250MHz实现)，那么链路效率就会降低。如果采用ASIC实现，就不可能改变接收缓冲器的尺寸，效率损失将是实实在在的，而且是永久性的。

　　用户应用程序设计也会对链路效率有所影响。用户应用程序必须设计成定期排空PCI Express接口的接收缓冲器，并保持发送缓冲器时刻充满。如果用户应用程序不立即使用接收的包(或者不立即响应发送请求)，无论接口的性能如何，总链路效率都会受到影响。

　　使用某些处理器设计时，如果处理器不能执行大于1 DWORD的突发，则需要实现一个DMA控制器。这将造成链路利用不充分，效率不佳。大多数嵌入式CPU可以发送长于1 DWORD的突发，所以通过良好的FIFO设计就可以有效地管理这些设计的链路效率。

　　PCI Express兼容性

　　兼容性是经常被遗漏和低估的重要细节。如果要构建必须与其他应用和设备一起工作的PCI Express应用，则必须确保设计的兼容性。

　　兼容性不只针对IP，而是针对整个解决方案，包括IP、用户应用、半导体器件和硬件板。如果整个解决方案已经过PCI-SIG PCI Express兼容性工作组的验证，就能很好地保证您设计的PCI Express部分会一直有效工作。

　　本文结论：

　　PCI Express已替代PCI成为事实上的系统互连标准，并且已从PC转移到其他系统市场，包括嵌入式系统设计。FPGA非常适合于构建PCI Express端点器件，因为它允许您创建带有用户所需的附加定制功能的兼容性PCI Express器件。

　　类似Virtex-5 LXT和SXT系列的新65nm FPGA完全符合PCI Express v1.1规范，并为用户应用提供广泛的逻辑和器件资源。使用外部PHY的Spartan-3系列FPGA提供了低成本解决方案。这些因素，加上内在的可编程逻辑优势(灵活性、可再编程性和低风险)使FPGA成为PCI Express的最佳平台。