基于Virtex-5的PCI-Express总线接口设计和实现

yuchengze

PCI Express总线是新一代的I/O局部总线标准，是取代PCI总线的革命性总线架构。PCI总线曾经是PC体系结构发展史上的一个里程碑，但是随着技术的不断发展，新涌现出的一些外部设备对传输速度和带宽有更高的要求，PCI设计之初并没有考虑这些因素，因此并不能完全满足这些外部设备的需求。PCI Express总线正是在这种背景下应运而生的。
一个PCI Express连接可以被配置成x1、x2、x4、x8、x12、x16和x32的数据带宽。Xilinx公司的Virtex5系列FPGA芯片内嵌PCI-Express-Endpoint BLOCk硬核，为实现单片可配置PCI-Express总线解决方案提供了可能。
本文在研究PCI-Express接口协议和PCI-Express Endpoint Block硬核的基础上，使用Virtex5LXT系列的XC5VLX50T FPGA芯片设计PCI- Express接口硬件电路，现YPCI-Express x4总线数据的传输。
1 PCI-Express总线概述
PCI-Express是一种高性能、通用的I/O互连技术，可以广泛应用于计算和通讯的平台。与传统的PCI/PCI-X总线相比，PCI Express用高速串行接口替代了PCI-X的并行接口;用点到点的基于Switch的交换式通讯替代了PCI-X的基于总线的通讯;用基于包的传输协议(PACketbasedprotocol)替代TPCI-X的基于总线的传输协议。此外，它还引入了一些新的特性：更强的电源管理、服务质量控制(QoS)，支持热拔插，以及完善的错误处理和恢复。
1.1 PCI-Express设备/拓扑结构
PCI-Express的典型拓扑结构如图1所示。PCI-Express协议中共定义了三种设备：RootComplex、Endpoint和Switeh。
Root Complex在系统中的位置类似于PCI-X中的主桥，它是I/O层次的根，它将CPU和MM连接至I/O部件。每个Root Complex可以有一个或多个PCI-Express Port(Root Port)，每个接口定义一个层次域。Endpoint是PCI-Express的端点设备，可以分为PCI-Express Endpoint和LegacyEndpoint两类。
Switch是PCI-Express的交换设备，可以理解为逻辑上由多个PCI-PCI桥组合而成，每个桥对应于一个SwiSh端口。从配置软件来看，Swi-tch是两个或更多个逻辑的PCI-PCI桥。
1.2 PCI-Express的层次
PCI-Express协议中定义了三层结构：事务层(Transaction Layer)、数据链路层(Data Link Layer)和物理层(PhysICal Layer)。其结构如图2所示。