采用中档FPGA设计面向PCI Express系统的解决方案

文章摘要：图2A和2B当仅需纯粹的PCI Express接口，而不需要其它逻辑时，外部的PCI Express PHY和FPGA(图2A)相结合可能极具吸引力。利用被称为PIPE的并行接口，PCI Express PHY可以连接到FPGA。虽然PIPE接口被认为是一个标准，但不同厂商在实现方面有着细微的差别，因此物理层芯片就不容易互换。此外，工业级的外部PCI Express PHY芯片也不太容易买到，要不就是价格昂贵。此外，许多应用程序使用领先的器件，可用的领先的PCI Express PHY芯片也是很有限的。因此，如果只有一个PCI Express接口链路，而且在FPGA中只要少量的额外逻辑(除了温

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　　图2A和2B

　　当仅需纯粹的PCI Express接口，而不需要其它逻辑时，外部的PCI Express PHY和FPGA(图2A)相结合可能极具吸引力。利用被称为PIPE的并行接口，PCI Express PHY可以连接到FPGA。虽然PIPE接口被认为是一个标准，但不同厂商在实现方面有着细微的差别，因此物理层芯片就不容易互换。此外，工业级的外部PCI Express PHY芯片也不太容易买到，要不就是价格昂贵。此外，许多应用程序使用领先的器件，可用的领先的PCI Express PHY芯片也是很有限的。

　　因此，如果只有一个PCI Express接口链路，而且在FPGA中只要少量的额外逻辑(除了温度范围的限制，以及可用的领先器件)，这种做法颇有意义。对于所有其他应用，最好是考虑一个整合的解决方案，如图2B所示。

　　如果采用整合的解决方案，首个挑战是寻找一个低成本的器件。在过去，PCI Express需要的串行链路一般只在高端昂贵的FPGA中才有。然而，今天许多应用需要较低成本的解决方案。中档LatticeECP2M，或最近推出的LatticeECP3 FPGA系列，拥有适合这种应用的一些功能。这两种器件都集成了可用于实现PCI Express x1或x4的串行通道。除了低成本优势外，与高端FPGA解决方案相比，这两类器件的功耗也非常低。该“节能方案”使系统工程师能够降低功耗，因此只需要使用较小供电电源。图3展示了近期推出的ECP3 FPGA系列的结构图。

　　图3：LatticeECP3中档FPGA框图，内有集成的SERDES模块。

　　利用这些FPGA的另一个优点是它们能够处理PCI Express使用的扩频时钟。许多其他的“单芯片”解决方案推荐使用外部的PLL和去除抖动来处理时钟，这意味着电路板上会有两到三个额外的器件。这些器件也可用在工业温度范围。

　　既然这些FPGA的串行链路只能实现物理层的SERDES部分，所以需要额外的逻辑来实现完整的PCS。这由软IP核来完成，它可以配置成x1或x4 PCI Express端点。莱迪思的ispLEVER设计软件包括一个称为IPexpress的工具，通过GUI来配置功能，如PLL、存储器等，还有软IP。PCI Express核可从莱迪思网站上下载，使用IP Express进行配置并产生编程文件。即使没有有效许可证，也可以运行这个应用数小时，从而获得一个全面的系统*估。

　　为了符合系统的需要，配置PCI Express核的某些功能是非常重要的。例如， PCI Express提供不同的有效载荷大小。有效载荷的规模越大，核中需要的FIFO也越大。为了节约资源，可以通过IPexpress来选择针对PCI Express核的正确有效载荷的大小。还有一些应加以调整的其他参数，以针对系统要求优化FPGA的利用率。

　　在许多项目开发中，只有在开发后期才能得到样机电路板。为了熟悉PCI Express的协议，可从莱迪思获取PCI Express设计套件。该套件包含了电路板，可用于x1或x4的插槽，并有一些演示配置：

　　* 基本方法

　　o 用户访问内存和寄存器

　　o 在电脑上运行演示与在电路板上的PCIe IP核之间提供简单的互动

　　* 吞吐量

　　o 在PCIe核和SERDES之间演示和测量带宽性能

　　* Scatter Gather DMA

　　o 使用DMA在PC机内存和PCI Express卡之间传送数据

　　设计人员可以选择使用其中一个准备好的编程文件，在30分钟内构建一个完整的演示。套件不仅提供了硬件设计文件，而且还提供驱动程序和运行在PC上的应用程序，这样就为设计人员的应用提供了一个良好的起点。图4展示了莱迪思的一个完整的PCI Express演示设计。

　　图4：Lattice PCI Express的演示。

　　用协议分析仪和示波器可以调试系统。但是，利用功能或者RTL级仿真时，设计人员已经可以找到许多问题。

　　系统调试的三个主要方法：

　　* 串行环回

　　* 激励发生器和测试器

　　* 总线功能模型

　　莱迪思的PCI Express核包含一个简单的采用串行环回的测试平台。借助一些来自测试平台的互动建立PCI Express链路，并发送一些数据包。这是仿真设计的非常基本的方法。

　　一个更先进的方法是使用激励发生器和测试器。FPGA中串行链路的仿真模型被一个模型所取代，后者生成数据包，并检查FPGA内的逻辑响应。

　　最全面且成本昂贵的方法是建立总线功能模型。有几个供应商提供PCI Express的仿真模型。根据总线功能模型，设计人员可以测试应用程序，以及FPGA的串行链路与整个系统的互动。

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