在FPGA中實(shí)現(xiàn)PCI Express橋接解決方案

　　如其前一代產(chǎn)品外設(shè)互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)（Peripheral Component Interconnect，PCI）那樣，PCI Express正在成為普遍使用的系統(tǒng)接口。與PCI不同的是，PCI Express采用了串行器/解串器（SERDES）接口為用戶提供了未來應(yīng)用所需的可拓展性。隨著系統(tǒng)帶寬的提高，更多的應(yīng)用開始使用基于SERDES的接口，如PCI Express。過去，通常使用ASIC或ASSP來實(shí)現(xiàn)下一代接口解決方案。ASIC和ASSP因其提供了低成本、低功耗的設(shè)計(jì)解決方案而被廣泛采用。然而，現(xiàn)在一些新的FPGA系列為設(shè)計(jì)師們提供了更具吸引力的選擇。

　　FPGA提供了極具靈活性的平臺并且不需要ASIC或靈活性較差的ASSP所需的很長的研制時(shí)間和大量的非重復(fù)性工程費(fèi)用（NRE）。新一代帶有嵌入式SERDES的FPGA，如LatticeECP2M和LatticeECP3器件，為設(shè)計(jì)師們提供了極其豐富、高價(jià)值的可編程架構(gòu)，同時(shí)還為串行接口提供了一種低成本、低功耗的解決方案。這些FPGA還可用于支持各種串行協(xié)議，如：PCI Express、千兆以太網(wǎng)、SGMII、XAUI、串行RapidIO等，使用單個(gè)FPGA平臺實(shí)現(xiàn)多種設(shè)計(jì)。

　　PCI Express也開始代替過去的并行接口，如PCI，成為控制板應(yīng)用的接口選擇。新一代器件使用一個(gè)或多個(gè)PCI Express接口。在大多數(shù)器件中，PCI Express核作為一個(gè)PCI Express端點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)師們通常需要將這些器件與前幾代使用并行總線的器件連接（例如，帶有并行總線接口的微控制器）。使用一個(gè)低成本、低功耗的FPGA來橋接PCI Express和并行接口，使得設(shè)計(jì)師們能夠有足夠的靈活性，在無需使用超出其系統(tǒng)成本和功耗預(yù)算的前提下解決這個(gè)問題。

　　PCI Express設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)

　　當(dāng)設(shè)計(jì)師們將設(shè)計(jì)從PCI遷移到PCI Express時(shí)，協(xié)議錯(cuò)綜復(fù)雜的細(xì)節(jié)和基于SERDES的設(shè)計(jì)的復(fù)雜性給設(shè)計(jì)師們帶來了巨大的挑戰(zhàn)。幸運(yùn)的是，F(xiàn)PGA和全功能PCI Express IP核、參考設(shè)計(jì)、硬件*估板和相關(guān)的演示有助于設(shè)計(jì)順利進(jìn)行，否則PCI Express設(shè)計(jì)師們將面臨困難曲折的研究學(xué)習(xí)過程。事實(shí)上，F(xiàn)PGA是一種基于PCI Express應(yīng)用的理想平臺。由于FPGA的可編程特性，使得設(shè)計(jì)師們擁有更大的靈活性，在之后的設(shè)計(jì)周期中使用很短的周轉(zhuǎn)時(shí)間來解決設(shè)計(jì)問題。設(shè)計(jì)師們還需要為每個(gè)設(shè)計(jì)需求演變過程中的特性更改或添加作好準(zhǔn)備。此外，F(xiàn)PGA設(shè)計(jì)使設(shè)計(jì)師們能根據(jù)新的參數(shù)規(guī)格更改和更新設(shè)計(jì)，從而使產(chǎn)品不會因過時(shí)而被淘汰?？删幊唐脚_還能讓設(shè)計(jì)師們使用同一款FPGA來實(shí)現(xiàn)接口解決方案，連接到大量其他PCI Express芯片集：端點(diǎn)器件、Root Complex或開關(guān)。設(shè)計(jì)師還可以將系統(tǒng)所需的其他功能集成到FPGA中，減少板上的元器件數(shù)量并進(jìn)一步降低系統(tǒng)的總成本。

　　PCI Express解決方案

　　FPGA為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了極其靈活的可編程平臺。全套解決方案包括了IP核、硬件平臺、演示設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)器和軟件，使得設(shè)計(jì)師們能縮短其開發(fā)周期，同時(shí)降低設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。PCI Express解決方案所需要解決的一個(gè)常見的設(shè)計(jì)要求就是PCI Express串行接口（端點(diǎn)器件）與合法的并行總線接口之間的橋接，如圖1所示。帶有PCI Express Root Complex IP核的FPGA為設(shè)計(jì)師們提供了實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)解決方案所需的基本構(gòu)建模塊。或者也可以使用ASSP和ASIC實(shí)現(xiàn)該功能。然而，與FPGA不同的是，這些器件僅能實(shí)現(xiàn)一種固定的配置，且不能更改來實(shí)現(xiàn)其他可用的并行總線接口。相反，可編程FPGA平臺可使設(shè)計(jì)師們在設(shè)計(jì)中進(jìn)行更改以實(shí)現(xiàn)特定的橋接功能，以符合其特定板上可用接口的要求。設(shè)計(jì)師們還能靈活地在單個(gè)FPGA中實(shí)現(xiàn)多種橋接或不同橋接配置，從而減少板上總的元件數(shù)量。帶有PCI Express Root Complex IP核的FPGA可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)所需的多種其他橋接解決方案。

　　圖1：PCI Express橋接解決方案。

　　PCI Express Root Complex

　　PCI Express端點(diǎn)用作一個(gè)信號發(fā)出（upstream）器件，并且不能與信號接收（downstream）器件通信。該功能可由Root Complex器件實(shí)現(xiàn)，但是一個(gè)使用FPGA的全功能Root Complex實(shí)現(xiàn)是非常昂貴的。相反，一個(gè)帶有傳輸層功能子集的“輕量版”Root Complex核足以實(shí)現(xiàn)大部分橋接功能。如圖1所示，該橋由兩個(gè)基本構(gòu)建模塊組成。第一個(gè)模塊是PCI Express Root Complex（或Root Complex-lite）IP核，與PCI Express端點(diǎn)器件接口。第二個(gè)模塊是橋接邏輯，用以接口到本地總線/并行接口。因?yàn)槭褂每删幊蘁PGA來實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)師能有很大的靈活性定制基于特定接口需求的設(shè)計(jì)。其他功能也可以集成到同一個(gè)FPGA中，以減少板上其他元件的數(shù)量并降低元器件材料的總成本。

　　PCI Express Root Complex IP支持

　　PCI Express是一個(gè)復(fù)雜的協(xié)議。全功能、充分驗(yàn)證的PCI Express IP核能為設(shè)計(jì)師大大降低設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。例如，萊迪思PCI Express Root Complex Lite（RC-lite）核實(shí)現(xiàn)了一個(gè)x1或x4 Root Complex功能，主要用于PCI Express橋接應(yīng)用。如圖2所示，所有的PCI Express層都使用嵌入式ASIC模塊和PCI Express RC-lite軟IP核在FPGA中實(shí)現(xiàn)。各個(gè)模塊包括電氣SERDES接口、物理層、數(shù)據(jù)鏈路層以及支持實(shí)現(xiàn)PCI Express Root Complex功能所需的協(xié)議棧的最簡化的傳輸層。這個(gè)“輕量的”IP專為用于簡單橋接PCI Express端點(diǎn)接口和并行本地總線接口應(yīng)用而優(yōu)化。

　　圖2：PCI Express RC-lite IP協(xié)議棧。

　　LatticeECP2M或LatticeECP3 FPGA中實(shí)現(xiàn)的PCI Express RC-lite IP實(shí)現(xiàn)了低成本、低功耗的PCI Express橋接應(yīng)用，同時(shí)為設(shè)計(jì)師們提供了定制橋接接口的靈活性。此外，PCI Express硬件*估板和各種參考設(shè)計(jì)、演示板和軟件驅(qū)動(dòng)幫助設(shè)計(jì)師們快速開始PCI Express設(shè)計(jì)并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。萊迪思還為設(shè)計(jì)師們提供了一款硬件*估板，用以測試RC-lite IP解決方案。設(shè)計(jì)師們還可以在實(shí)際系統(tǒng)級部署之前，完成其解決方案的互操作性并驗(yàn)證其系統(tǒng)級功能，節(jié)省通常設(shè)計(jì)后調(diào)試和性能增強(qiáng)所需的時(shí)間和成本。

　　小結(jié)

　　PCI Express使設(shè)計(jì)師們面臨很大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。接口需求根據(jù)器件是否需要連接到其他端點(diǎn)、Root Complex或開關(guān)而各不相同。此外，在許多情況下， PCI Express端點(diǎn)需要使用并行總線接口連接到另一器件。設(shè)計(jì)師們可以使用低成本、低功耗的FPGA平臺來實(shí)現(xiàn)這些功能，同時(shí)保留靈活的可編程架構(gòu)的所有優(yōu)點(diǎn)。例如，在一個(gè)FPGA中實(shí)現(xiàn)PCI Express Root Complex IP功能，為實(shí)現(xiàn)這些橋接功能提供了理想的平臺。