PCI Express——高速串行互联接口标准

 　　本文先容了PCI Express以及用FPGA实现PCI Express接口的上风。

　　PCI Express是从PCI生长而来的一种体系互联接口标准。PCI和PCI-X都是基于32位以及64位的并行总线，而PCI Express则利用高速串行总线。PCI Express后向兼容于PCI，可以或许机动地提供大峰值带宽。表1比拟了三种PCI标准的特性。

　　表1 PCI标准比拟

　　一对同局势情的发送和吸取通道被称为一个通路。发送和吸取通道利用低电压差分信号(LVDS)标准传输数据。数据时钟嵌入在每个通道中，以实现非常高的数据速率。

图1 PCI Express链路

　　一条PCI Express链路由多条通路构成，在链路中增长更多的通路可进步PCI Express链路的带宽。范例支持的链路通路带宽有x1、x4、x8和x16四种。

　　PCI Express的高级特性包括：
　　*主动功耗办理
　　在PCI Express中，不管总线上是否有信号发送，总线接口总是不停在事变。空闲状态下，总线上没有任意操纵时，如许会导致很高的功耗。为低落功耗，PCI Express提供了主动功耗办理机制，以便低落总线空闲时的功耗。

　　*及时数据流量
　　PCI Express包管数据包在假造通道的给定时间内到达其目标地，实现了差别等级的办事质量(QoS)。

　　*热插拔
　　PCI Express支持体系事变时的热插拔，收缩了体系更新和调试阶段的停机时间。

　　*误码探测和改正
　　由于数据链路层的循环冗余码校验(CRC)成果，PCI Express可以或许更好地查抄数据完备性，举行误码处理惩罚，进步总线操纵的可靠性，加强数据规复的本领。

　　实现PCI Express接口的难点

　　采取定制逻辑在专用产品中实现PCI Express接口有很多难点：

　　*自适应硬件：计划专用产品所选用的硬件平台必须可以或许餍足PCI Express协议的电气范例和性能请求。在存储器、办事器和背板等典范PCI Express终端应用中，基于PC的网络在带宽需求和数据速率上生长很快。这类产品还必要机动地适应那些大概更换现有标准的新标准。

　　*体系性能：由于PCI Express链路的预期数据速率在Gbps范畴内，因此，时序裕量非常告急。实现任意PCI Express接口都必须餍足体系严格的性能请求。

　　*可靠性：要实现这一协议必须包管产品在大概担当的事变电压和温度(PVT)变革范畴内有可靠的性能表现。

　　*通用性：PCI Express接口通常用于连接差别的半导体器件。因此，该协议的产品必须与市场上其他PCI Express器件兼容。

　　*利用方便：对付体系计划职员而言，PCI Express应该实现起来比较大略(大概换句话说，打开包装就能用)。这一样平常是指可以或许提供参考计划、界面友爱的软件东西、验证计划的原型开辟平台，以及完备的文档等。

　　FPGA中的PCI Express接口

　　FPGA通常用于桥接利用差别协议的器件。并且，由于逻辑门容量的增长，体系级特性的丰富，以及体系吞吐量的进步，FPGA还被渐渐包袱体系内核成果。

　　在近来几年中，FPGA提供商开始采取吉比特收发器模块等硬件IP来实现高数据速率的高速串行I/O接口。比方，Altera公司的Stratix II GX FPGA每通道数据速率高达6.375 Gbps。采取吉比特收发器模块，如今可以在一片FPGA中实现高速串行协议，包括千兆以太网、串行Rapid IO、PCI Express、XAUI和HD-SDI等。

　　吉比特收发器模块一样平常包括物理层和物理编码子层(PCS)，如图2所示。上层协议以硬件形貌语言(HDL)编写的IP在FPGA架构中实现。

图2 PCI Express高速串行I/O

　　FPGA的PCI Express接口有明显的上风：

　　*机动性：由于FPGA架构在本质上具有可编程性，因此，采取FPGA的任意产品在通路数量、特性、实现定制硬件的大概性，以及与其他半导体器件的连接都有很大的机动性。

　　*容易更新：采取FPGA的产品可以或许适应协讲和成果需求的变革。因此，这类产品可以或许克制过期，容易举行更新。

　　*性能成熟：FPGA中的吉比特收发器模块可以或许包管具偶然序裕量。图3中的PCI Express眼图颠末验证，切合PCI-SIG标准。这意味着，用户乃至在启动计划之前，就可以确信产品的兼容性。

图3 Stratix II GX 中的PCI Express接口切合PCI-SIG

　　*利用方便：FPGA提供商还提供开辟板、参考计划和计划指南，低落了实现PCI Express接口的难度。比方，Altera提供界面友爱的PCI编译器东西，很容易在Stratix II GX FPGA中对多通路PCI Express接口举行定制、构建和测试(图4)。

图4 利用方便的PCI编译器软件东西

　　*通用性：Stratix II GX FPGA在与其他PCI Express兼容器件在通用性上告成地通过了测试，比方Freescale公司的PowerQUICC III处理惩罚器。

　　FPGA中集成了吉比特收发器之后，过去采取分立收发器芯片的高速体系计划职员，如今可以充分利用FPGA的机动性以及产品及时面市的上风，将精力会合在创造更高效能和低落危害上，同时他们还可以或许及时应对市场上的种种需求变革。