采用中檔FPGA設(shè)計(jì)面向PCI Express系統(tǒng)的解決方案

為了克服舊標(biāo)準(zhǔn)的上述局限，1992年人們建立了PCI。其目的是構(gòu)建一個(gè)更高帶寬的標(biāo)準(zhǔn)，有即插即用功能和更穩(wěn)健的協(xié)議。PCI協(xié)議支持差錯(cuò)校驗(yàn)，通過(guò)與計(jì)算機(jī)的BIOS(基本輸入輸出系統(tǒng))通信實(shí)現(xiàn)即插即用功能，并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的控制/狀態(tài)軟件接口就地址范圍或PCI插卡功能等信息進(jìn)行交換。如果出現(xiàn)地址范圍重疊等差錯(cuò)，計(jì)算機(jī)本身可以提供一些反饋。一個(gè)基本的32位33MHz的PCI系統(tǒng)，可支持的傳輸速率高達(dá)132MBps。但是，這個(gè)架構(gòu)也有一些限制因素。總線是單向的(發(fā)起方和被請(qǐng)求的目標(biāo)設(shè)備不能在同一時(shí)間進(jìn)行通信)，且?guī)讉€(gè)卡要共享一條總線。如果一張卡正在傳輸數(shù)據(jù)，所有其他的可訪問(wèn)總線的部件必須等待。此外，在系統(tǒng)中無(wú)法處理PCI帶寬的低性能卡將進(jìn)行“重試”請(qǐng)求，以確保有更多時(shí)間來(lái)處理數(shù)據(jù)。這就大大降低了整個(gè)系統(tǒng)的帶寬。PCI的另一個(gè)限制是各種應(yīng)用對(duì)所需求帶寬不斷增加，特別是在視頻、通信和總線領(lǐng)域。圖1列出的一些應(yīng)用，已經(jīng)接近或超過(guò)了理論上的PCI帶寬132MBps。

圖1：各種應(yīng)用的帶寬需求對(duì)比理論上PCI提供的132MBps。

PCI還有其他一些缺點(diǎn)，如限制只能有5個(gè)部件訪問(wèn)總線。由于PCI總線特殊的無(wú)端接總線的反射，電路板的設(shè)計(jì)也更加困難。數(shù)據(jù)路徑寬度為32或64位的并行線也對(duì)時(shí)序有苛刻的要求。

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，PCI-SIG(PCI特別興趣小組)與行業(yè)內(nèi)的領(lǐng)先公司合作，定義了PCI的下一代標(biāo)準(zhǔn)。新標(biāo)準(zhǔn)最初被稱為3G IO(第三代輸入輸出)，后來(lái)改名為大家熟悉的PCI Express。PCI Express的首個(gè)規(guī)范于2002年4月公布，其解決了原有PCI標(biāo)準(zhǔn)的所有限制因素。為了克服無(wú)端接的大量并行總線并增加帶寬，PCI Express轉(zhuǎn)變?yōu)檫\(yùn)行速率2.5Gbps的串行鏈路，提供兩個(gè)方向同時(shí)進(jìn)行的2Gbps的原始數(shù)據(jù)率。為了滿足更高的帶寬要求，規(guī)范允許使用幾個(gè)并行的“通道”。因此對(duì)于目前計(jì)算機(jī)的低帶寬應(yīng)用，有很多x1和x4通道；對(duì)于有高帶寬的要求，例如顯卡，則有x16的插槽。

由于PCI Express規(guī)范使用基于層的協(xié)議，類似于OSI的層次模型，它很容易改變物理層和保留上層協(xié)議。這種做法已被最近發(fā)布的PCI Express 2.0規(guī)范所采納，使得鏈路速度高達(dá)5Gbps。然而，大多數(shù)新的設(shè)計(jì)開(kāi)始仍然是基于PCI Express 1.1版本的2.5Gbps。

一個(gè)PCI Express系統(tǒng)可以用幾個(gè)部件組成。所有的系統(tǒng)都需要有一個(gè)根聯(lián)合體(Root Complex)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行管理。交換設(shè)備(Switch)是用來(lái)將幾個(gè)卡連接到另一個(gè)PCI Express鏈路，“端設(shè)備”則代表了用戶應(yīng)用。橋接是端設(shè)備的特殊形式，可以將舊的PCI應(yīng)用連接至PCI Express總線。FPGA主要用于端設(shè)備或橋接應(yīng)用。

在PCI Express應(yīng)用中FPGA起著重要的作用，主要有三種設(shè)計(jì)方法：

*PCI-Express至PCI橋和FPGA

*外部的PCI-Express PHY和FPGA

*PCI-Express的PHY集成在FPGA之中

第一種使用PCI-Express至PCI橋的方法，優(yōu)點(diǎn)是可以重用舊的PCI設(shè)計(jì)，但由于額外的橋接單元，成本很高。在橋和FPGA之間，這個(gè)應(yīng)用仍然被PCI的缺點(diǎn)所限制，在成本方面處于不利地位。

圖2A和2B

當(dāng)僅需純粹的PCI Express接口，而不需要其它邏輯時(shí)，外部的PCI Express PHY和FPGA(圖2A)相結(jié)合可能極具吸引力。利用被稱為PIPE的并行接口，PCI Express PHY可以連接到FPGA。雖然PIPE接口被認(rèn)為是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，但不同廠商在實(shí)現(xiàn)方面有著細(xì)微的差別，因此物理層芯片就不容易互換。此外，工業(yè)級(jí)的外部PCI Express PHY芯片也不太容易買到，要不就是價(jià)格昂貴。此外，許多應(yīng)用程序使用領(lǐng)先的器件，可用的領(lǐng)先的PCI Express PHY芯片也是很有限的。

因此，如果只有一個(gè)PCI Express接口鏈路，而且在FPGA中只要少量的額外邏輯(除了溫度范圍的限制，以及可用的領(lǐng)先器件)，這種做法頗有意義。對(duì)于所有其他應(yīng)用，最好是考慮一個(gè)整合的解決方案，如圖2B所示。