基于FPGA的PCIE總線擴(kuò)展卡的設(shè)計(jì)

　PCIE(PCI express)是用來(lái)互聯(lián)諸如計(jì)算機(jī)和通信平臺(tái)應(yīng)用中外圍設(shè)備的第三代高性能I/0總線。PCIE體系結(jié)構(gòu)繼承了第二代總線體系結(jié)構(gòu)最有用的特點(diǎn)，采用與PCI相同的使用模型和讀/寫通信模型，支持各種常見的事務(wù)。其存儲(chǔ)器、I/0和配置地址空間與PCI的地址空間相同。由于地址空間模型沒有變化，所以現(xiàn)有的OS和驅(qū)動(dòng)軟件無(wú)需進(jìn)行修改就可以在PCIE系統(tǒng)上運(yùn)行。

　　PCIE是串行協(xié)議，與原有的PCI并行總線相比，它沒有大量的數(shù)據(jù)和控制線，對(duì)于硬件電路設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，省去了很多硬件設(shè)計(jì)工作。PCIE的傳輸速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于PCI總線，PCIE1.1版本單個(gè)鏈路的單向吞吐量能達(dá)到250 MB/s。對(duì)于需要與主機(jī)進(jìn)行大容量傳輸?shù)南到y(tǒng)來(lái)說(shuō)，該總線標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)勢(shì)是非常明顯的。

　　由于PCIE總線硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，吞吐量大，軟件向下兼容，只要找到合適的總線接口芯片，很容易將現(xiàn)有的PCI總線設(shè)備升級(jí)為PCIExpress設(shè)備。Altera公司最新推出的EP2SGX90系列的芯片，給用戶提供了PCIE接口IP核。本文將結(jié)合實(shí)際的應(yīng)用，詳細(xì)介紹該IP核的使用情況，包括寄存器設(shè)置，DMA操作等。

　　1 功能描述及參數(shù)設(shè)置

　　按照PCIE協(xié)議的要求，該FPGA的IP核也采用三層體系結(jié)構(gòu)，即傳輸層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。這三層功能模塊完成了PCIE的協(xié)議轉(zhuǎn)換，在傳輸層上給開發(fā)人員提供了非常豐富的接口。開發(fā)人員的所有開發(fā)，包括DMA傳輸?shù)榷际窃趥鬏攲右陨线M(jìn)行的。

　　傳輸層(transaction layer)：完成TLP(數(shù)據(jù)傳輸包)的收發(fā)，含有虛擬信道(VC)緩沖區(qū)，具有端口仲裁、VC仲裁、流控制、數(shù)據(jù)重新排序和數(shù)據(jù)校驗(yàn)等功能。

　　數(shù)據(jù)鏈路層(data link layer)：數(shù)據(jù)鏈路層的主要功能是保證在各鏈路上發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包時(shí)數(shù)據(jù)的完整性。在接收端，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格的CRC校驗(yàn)，如果有錯(cuò)誤，會(huì)給發(fā)送方返回1個(gè)NAK信號(hào)。發(fā)送端具有重傳緩沖區(qū)，如果收到NAK信號(hào)，則把數(shù)據(jù)重新發(fā)送1次。

　　物理層(physical layer)：對(duì)于發(fā)送端，接收數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)包，把這些數(shù)據(jù)進(jìn)行8 b/10 b編碼，送到串行發(fā)送器上;對(duì)于接收端則剛好相反，收到串行碼后，先解碼，然后送給數(shù)據(jù)鏈路層。

　　在生成PCIE的IP核時(shí)，至少選擇2個(gè)存儲(chǔ)區(qū)，一個(gè)是BAR[1：O]，用作用戶開發(fā)板的擴(kuò)展存儲(chǔ)區(qū)用;還有一個(gè)是BAR2，下面所有的寄存器操作都是基于該地址的。新生成的IP核不帶有DMA功能，但是在工程文件夾下面有一個(gè)xxxx_examples(xxx代表工程名稱)的文件夾，文件夾里有簡(jiǎn)單DMA和鏈?zhǔn)紻MA的例子代碼，開發(fā)者只需要對(duì)這些代碼進(jìn)行修改，就能開發(fā)出適合自己的DMA功能模塊。

　　2 簡(jiǎn)單DMA

　　該DMA傳輸模式相對(duì)比較簡(jiǎn)單，只需要對(duì)相應(yīng)的寄存器進(jìn)行設(shè)置即可完成，DMA傳輸步驟如下所示，每進(jìn)行1次DMA傳輸，都需要按照下面的步驟進(jìn)行1次設(shè)置。下面所述的偏移量都是相對(duì)于BAR2地址。

　　(1)設(shè)置偏移量為0x00和0x04的寄存器，寫入DMA傳輸?shù)闹鳈C(jī)端地址;

　　(2)設(shè)置偏移量為0x14的寄存器，寫入DMA傳輸?shù)腜CIE端點(diǎn)地址;

　　(3)在偏移量為0x08的寄存器中寫入本次DMA傳輸?shù)拈L(zhǎng)度，以字節(jié)為單位;

　　(4)設(shè)置偏移量為0x0C的寄存器，設(shè)置DMA傳輸?shù)膶傩裕瑢?duì)該寄存器的寫操作將啟動(dòng)本次DMA傳輸;

　　(5)讀取0x0C的寄存器DMA傳輸狀態(tài)位，察看本次DMA是否完成。

　　3 鏈?zhǔn)紻MA

　　鏈?zhǔn)紻MA是一種效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于簡(jiǎn)單DMA的傳輸方式，它只需要1次啟動(dòng)操作，就可以完成多次DMA傳輸。這里將結(jié)合實(shí)際使用情況，詳細(xì)介紹鏈?zhǔn)紻MA的傳輸過(guò)程。

　　3.1 描述符表

　　實(shí)現(xiàn)鏈?zhǔn)紻MA傳輸時(shí)，需要開發(fā)人員在主機(jī)內(nèi)存中開辟一塊空間，用來(lái)存儲(chǔ)描述符表，它由一個(gè)表頭和多個(gè)描述符組成，其中每一個(gè)描述符對(duì)應(yīng)一次DMA操作。用戶根據(jù)自己的需求填寫該描述符表，關(guān)于該描述符表的詳細(xì)說(shuō)明如表1和表2所示。

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