采用中档FPGA设计面向PCI Express系统的解决方案

文章摘要：基于ISA(工业标准架构)总线的首个扩展卡最初在1978年问世，由于要求提升系统整体性能，MCA(微通道架构)等总线系统或是扩展的ISA总线随后也相继出现。鉴于数据通道宽度(主要是8或16位)和总线架构的速度问题，许多标准都限制了带宽。此外，万一错误配置了总线，很难确定差错在哪里，因此调试这个系统时就会遇到各种问题。根据这些旧的总线标准的经验，新的标准PCI(外设部件互连)最终得以确定。本文将探讨PCI标准的局限性，以及下一代PCI Express是如何以节约成本的方式得以实现的。为了克服旧标准的上述局限，1992年人们建立了PCI。其目的是构建一个更高带宽的标准，有即插即用功能和更稳健的协议

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　　基于ISA(工业标准架构)总线的首个扩展卡最初在1978年问世，由于要求提升系统整体性能，MCA(微通道架构)等总线系统或是扩展的ISA总线随后也相继出现。鉴于数据通道宽度(主要是8或16位)和总线架构的速度问题，许多标准都限制了带宽。此外，万一错误配置了总线，很难确定差错在哪里，因此调试这个系统时就会遇到各种问题。根据这些旧的总线标准的经验，新的标准PCI(外设部件互连)最终得以确定。本文将探讨PCI标准的局限性，以及下一代PCI Express是如何以节约成本的方式得以实现的。

　　为了克服旧标准的上述局限，1992年人们建立了PCI。其目的是构建一个更高带宽的标准，有即插即用功能和更稳健的协议。PCI协议支持差错校验，通过与计算机的BIOS(基本输入输出系统)通信实现即插即用功能，并通过标准的控制/状态软件接口就地址范围或PCI插卡功能等信息进行交换。如果出现地址范围重叠等差错，计算机本身可以提供一些反馈。一个基本的32位33MHz的PCI系统，可支持的传输速率高达132MBps。但是，这个架构也有一些限制因素。总线是单向的(发起方和被请求的目标设备不能在同一时间进行通信)，且几个卡要共享一条总线。如果一张卡正在传输数据，所有其他的可访问总线的部件必须等待。此外，在系统中无法处理PCI带宽的低性能卡将进行“重试”请求，以确保有更多时间来处理数据。这就大大降低了整个系统的带宽。PCI的另一个限制是各种应用对所需求带宽不断增加，特别是在视频、通信和总线领域。图1列出的一些应用，已经接近或超过了理论上的PCI带宽132MBps。

　　图1：各种应用的带宽需求对比理论上PCI提供的132MBps。

　　PCI还有其他一些缺点，如限制只能有5个部件访问总线。由于PCI总线特殊的无端接总线的反射，电路板的设计也更加困难。数据路径宽度为32或64位的并行线也对时序有苛刻的要求。

　　根据以往经验，PCI-SIG(PCI特别兴趣小组)与行业内的领先公司合作，定义了PCI的下一代标准。新标准最初被称为3G IO(第三代输入输出)，后来改名为大家熟悉的PCI Express。PCI Express的首个规范于2002年4月公布，其解决了原有PCI标准的所有限制因素。为了克服无端接的大量并行总线并增加带宽，PCI Express转变为运行速率2.5Gbps的串行链路，提供两个方向同时进行的2Gbps的原始数据率。为了满足更高的带宽要求，规范允许使用几个并行的“通道”。因此对于目前计算机的低带宽应用，有很多x1和x4通道；对于有高带宽的要求，例如显卡，则有x16的插槽。

　　由于PCI Express规范使用基于层的协议，类似于OSI的层次模型，它很容易改变物理层和保留上层协议。这种做法已被最近发布的PCI Express 2.0规范所采纳，使得链路速度高达5Gbps。然而，大多数新的设计开始仍然是基于PCI Express 1.1版本的2.5Gbps。

　　一个PCI Express系统可以用几个部件组成。所有的系统都需要有一个根联合体(Root Complex)对整个系统进行管理。交换设备(Switch)是用来将几个卡连接到另一个PCI Express链路，“端设备”则代表了用户应用。桥接是端设备的特殊形式，可以将旧的PCI应用连接至PCI Express总线。FPGA主要用于端设备或桥接应用。

　　在PCI Express应用中FPGA起着重要的作用，主要有三种设计方法：

　　*PCI-Express至PCI桥和FPGA

　　*外部的PCI-Express PHY和FPGA

　　*PCI-Express的PHY集成在FPGA之中

　　第一种使用PCI-Express至PCI桥的方法，优点是可以重用旧的PCI设计，但由于额外的桥接单元，成本很高。在桥和FPGA之间，这个应用仍然被PCI的缺点所限制，在成本方面处于不利地位。

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