基于桥接芯片PEX8111的PCIE总线接口设计

关键词：总线传输速率理想高性能

目前PCI总线是市场的主流, 它最大的传输速率为528Mb/s, 但已经满足不了我们对高性能的要求。PCIE总线是是第三代I/O总线标准, 理想的传输速率可达2.5Gbps。因此, 该总线一经推出, 立即以其优异的性能和低廉的造价引起了业界的广泛关注, 展现出了广阔的应用前景。但PCIE规范相当复杂, 所以设计基于PCIE总线的产品十分困难。而PCIE桥接芯片的出现改变了这一局面, 使得接口设计变得相对容易一些。本文具体采用桥接芯片PEX8111来实现PCIE接口, 它能实现PCI到PCIE的平滑过度, 并且能对原有的驱动程序进行保留, 不用做任何形式的更改。具有传输速率高、实时性好和性价比高等优势。

1 PCIE总线概述

(1) PCIE总线使用双通道串行传输模式, 一条PCIE通道由两对LVDS差分线对所构成, 分别负责接收和发送, 单向的数据传输速率为2.5Gbps。 (2) PCIE总线总线采用了目前业内流行的点对点串行连接, 每个设备都有自己的专用连接, 不需要向整个总线请求带宽。 (3) PCIE由好几个管线所组成, 其位宽有x1、x2、x4、x8、x12、x16和x32等类型, 以满足不同设备之间通信带宽的要求。 (4) 在软件层能够完全兼容PCI总线, 原有PCI总线的驱动程序不用做任何形式的修改就能运用到基于PCIE总线架构的系统中。 (5) 它利用8b/10b编码来完成时钟信号的嵌入任务。时钟信号直接地被编码进数据流中, 这种串行方式比单独的时钟信号并行数据传输要有优势的多。 (6) 串行数据传输的时候是以数据包形式进行传输的, 这样就能保证数据的准确性和可靠性。

2 PCIE总线接口可选方案

目前有两种实现方案:一种是通过FPGA内部程序模拟PCIE总线时序, 从而实现与计算机之间的连接;另一种是利用专用桥芯片来实现与计算机的连接。

(1) 可编程设计方案。

该方案的核心方法是首先使用PHY器件来完成物理层接口上PHY跟FPGA的连接, 然后通过对FPGA编程来实现PCIE的上层协议。它也可以被认为是MAC层与PCS层的接口。该连接完全符合因特尔公司的PIPE规范。该方案的硬件成本较低, 但通过对FPGA编程来实现PCIE上层协议难度非常大。除此之外, 就只能购买Xilinx等公司所提供的IP核, 但该核价格十分昂贵。

(2) 桥接设计方案。

由于PCIE总线应用领域越来越广, 计算机主板上已经出现了PCIE插槽, 相信以后会替代PCI插槽而成为市场的主流。开发一种桥接芯片来完成本地总线到PCIE总线的连接是尤为重要的。因为该芯片能够实现在PCIE架构下, 原有的部件能够正常是使用, 这样就大大提高了开发的效率。到现在为止, PLX公司已推出PEX8111和PEX8114等。

3 基于PEX8111的桥接设计

PEX8111是一款本地总线到PCIE的桥接芯片。它符合PCIE1.0规范, 支持自动极性反转, CRC校验, 链路设备电源管理, 传输层数据包队列控制。而且具有直接主模式、直接从模式和DMA功能。它能够简单地实现PCIE接口, 能够十分容易地把现有的PCI卡转换成PCIE设计, 从而实现PCI到PCIE的平滑过度, 并且能够对原有的驱动程序进行保留, 不用做任何形式的更改。PEX8111支持前向桥模式和反向桥模式这两种模式, 有144个引脚, 球型封装, 66MHz本地时钟, 有2个DMA通道, 支持最高可达2 6 6 MBps的突发峰值传送速率。有四路GPIO接口, 内部PCI仲裁器可以支持4个外部PCI主控器。支持SPI串行EEPROM接口, 有8KB共享内存可以供PCIE接口及PCI总线访问。PEX 8 1 1 1的电源模块由1.5 V的PCIE接口工作电压, 3.3 V的I/O和的5V PCI所构成。图1是PEX8111的内部结构图。它的PCIE接口与计算机的PCIE插槽相连, 而PCI接口与硬件FPGA相连。

FPGA一侧必须模拟成为一个PCI设备, 因为PEX8111是PCIE-to-PCI的专用桥接芯片。FPGA中的PCIMster和PCISlave这两个模块就是用来完成这项工作的。

PCIMster模块模拟了PCI总线数据传输中的主设备, 而PCISlave模块则模拟从设备。在这两个模块之间, 利用控制信号线交互模拟出了一个虚拟的数据通道, 数据由PCI主设备送到PCI从设备。但是实际上并非如此, 数据并没有送到PCI从设备, 而是通过桥接芯片PEX8111转换后送到了PCIE总线上, 最后到达计算机的内存里面。

PCIMaster模块作用是模拟PCI“主设备”的功能与时序。它从PCI_FIFO中读出数据, 接着发起DMA写操作, 将数据通过模拟PCI局部总线经桥接芯片PEX8111送往PC机。

PCISlave模块作用是模拟PCI“目标设备”的功能与时序, 对PCI总线上的寄存器空间进行读写配置。另外, 该模块接收PC机发来的控制信息, 然后通过信号完成对PCI“主设备”的控制。