ＰＣＩ?。牛穑颍澹螅罂偩€接口板的設(shè)計與實現(xiàn)

李　丹　賀占莊　李　灝

摘 要：當前，PCI Express總線以其串行點對點傳輸方式，傳輸速率高，擴展性靈活等特點廣泛應(yīng)用于臺式機、筆記本電腦、服務(wù)器、通信、工作站的內(nèi)置設(shè)備等領(lǐng)域。介紹PCI Express總線接口板的設(shè)計與實現(xiàn)。簡要介紹PCI Express總線，采用PLX公司的PEX8311芯片實現(xiàn)接口設(shè)計，描述了方案的具體軟硬件設(shè)計和實現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：PCI Express；體系結(jié)構(gòu)；PEX8311；復(fù)雜可編程邏輯器件；Windriver

中圖分類號：TP334.7 文獻標識碼：B 文章編號：1004－373X(2009)04－158－04

Design and Implementation of PCI Express Bus Interface Board

LI Dan,HE Zhanzhuang,LI Hao

(Xi′an Micro－electronics Technology Institute,Xi′an,710065,China)

Abstract：At present,PCI Express bus with its serial point－to－point transmission,high transfer rate and flexible extension is widely used in desktop and notebook computers,servers,communications,workstations and other fields. The design and implementation of PCI Express bus interface board and PCI Express bus are introduced briefly.This design uses the chip PEX8311 of PLX Company.This article mainly describes the hardware and software designs.

Keywords：PCI Express;system architecture;PEX8311;CPLD;Windriver

在過去的十幾年中，PCI總線得到了廣泛的應(yīng)用。但是隨著微處理器、存儲器和互連網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，并行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腜CI總線其性能已經(jīng)越來越不能滿足高性能計算機平衡設(shè)計的要求。隨后出現(xiàn)了許多串行互連技術(shù)，并行數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)為串行數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)成為一種趨勢。串行點對點的PCI Express總線以其良好的性能得到廣泛應(yīng)用。針對其應(yīng)用，提出一種基于

PCI Express總線的接口板的設(shè)計與實現(xiàn)方法。

1 PCI Express總線簡介

Intel在2001年首先提出了替代PCI總線的新總線技術(shù)PCI Express，當時Intel稱之為“3GIO”，意為“第三代I/O標準”。PCI－SIG于2001年、2006年先后提出了PCI Express 1.0/2.0規(guī)范。

PCI－Express總線具有點對點串行互聯(lián)；雙通道、高帶寬、傳輸速度快；靈活的擴展性；低電源消耗，電源管理功能；支持設(shè)備熱撥插和熱交換；使用小型連接，節(jié)約空間，減少串攏 ；在軟件層保持與PCI兼容等特點。

2 PCI Express總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

PCI Express的基本結(jié)構(gòu)包括根組件（Root Complex）、交換器（Switch）、橋（Bridge）和終端設(shè)備（Endpoint）。集成在北橋芯片中的根組件，用于CPU和內(nèi)存子系統(tǒng)于I/O設(shè)備之間的連接。交換器支持在不同終端設(shè)備間進行對等通信。橋是指PCI Express到PCI或PCI－X的橋接設(shè)備，實現(xiàn)PCI Express－to－PCI和PCI Express－to－PCI－X橋接功能，用來支持傳統(tǒng)PCI/PCI－X設(shè)備。

終端設(shè)備可以包括多個功能模塊，可以通過其有且僅有的一個上游端口與根設(shè)備或Switch連接。通常，終端設(shè)備指的是系統(tǒng)的外圍設(shè)備，如以太網(wǎng)、USB或圖形設(shè)備。如圖1所示。

PCI Express體系結(jié)構(gòu)采用分層設(shè)計，從下而上分別是：物理層（Physical Layer）、數(shù)據(jù)鏈路層（Data Link Layer）和事務(wù)層（Transaction Layer）。如圖2所示。

3 PCI Express接口板的硬件設(shè)計

PCI Express總線接口的實現(xiàn)大體有2類方法：一類是使用FPGA/CPLD等可編程器件開發(fā)邏輯轉(zhuǎn)換電路。根據(jù)實現(xiàn)功能的多少，所需的等效門密度約為5 000~15 000門，可自行編程或是購買已有IP核的產(chǎn)品實現(xiàn)；另一類是使用專用的接口芯片。前者開發(fā)成本高、難度大、周期長、測試設(shè)備昂貴，但是批量生產(chǎn)成本低，適合大規(guī)模全定制或半定制ASIC的生產(chǎn)。而后者實現(xiàn)了PCI Express總線的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和事務(wù)層的控制邏輯，用戶可以專注在其應(yīng)用方面的開發(fā)，而不必再調(diào)試PCI Express接口，開發(fā)難度大大降低，是實現(xiàn)PCI Express接口的有效方法。

該設(shè)計選用PLX公司的專用接口芯片PEX8311作為橋接芯片來實現(xiàn)PCI Express接口設(shè)計。

3.1 PEX8311芯片簡介

PEX8311是PLX公司開發(fā)的第一款PCI Express總線到本地總線的接口芯片。它符合PCI Express1.0a基本規(guī)范，并且其本地端寄存器與PLX公司的PCI系列接口芯片基本兼容。

3.1.1 PEX8311的特點

(1) 集成了單通道、全雙工2.5 Gb/s傳輸?shù)腜CI Express端口；

(2) 本地總線配置支持8位、16位和32位的總線結(jié)構(gòu)；

(3) 支持復(fù)合和非復(fù)合的操作模式；

(4) 高性能DMA數(shù)據(jù)傳輸支持塊模式，集散模式，循環(huán)隊列管理和命令模式；

(5) 支持端點和根組件模式；

(6) 芯片小型封裝，適合緊湊的電路板設(shè)計；

(7) 芯片低功耗設(shè)計；

(8) 3.3 V的I/O并且兼容5 V系統(tǒng)；

(9) 串行E2PROM用來可選擇的導(dǎo)入配置，支持接口和Microwire接口；

(10) 有8 KB的通配共享RAM。

3.1.2 PEX8311的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

PEX8311作為一種橋接芯片，在PCI Express總線和本地總線之間傳遞信息。它可以作為主控設(shè)備去控制2個總線，也可以作為目標設(shè)備去響應(yīng)2個總線。它通過內(nèi)部的控制邏輯模塊、內(nèi)部總線狀態(tài)機模塊和本地總線狀態(tài)機模塊共同控制芯片的數(shù)據(jù)傳輸。PEX8311的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.1.3 PEX8311的地址空間及數(shù)據(jù)傳輸方式

PEX8311的地址空間分為PCI Express地址空間和局部地址空間。前者包括配置寄存器、I/O空間、內(nèi)存映射I/O（32位）、可預(yù)取內(nèi)存空間（64位）；后者包括空間0、空間1、擴展RAM空間。

PEX8311支持3種數(shù)據(jù)傳輸方式。分別是：主模式（Direct Master）、從模式（Direct Slave）、直接存儲器存取模式（DMA）。

3.2 PCI Express接口板的硬件設(shè)計方案

采用PEX8311的接口板設(shè)計在邏輯上可分為3個功能模塊：PCI Express接口部分、E2PROM部分和本地總線部分，如圖4所示。

PEX8311提供完備的PCI Express從設(shè)備支持，PCI Express接口部分的信號線可以直接與PCI Express連接器（俗稱金手指）連接。其中，REFCLK±是一組差分時鐘，它由系統(tǒng)主板提供。2個參考時鐘都要求保持在正常工作頻率100 MHz的±300 ppm之內(nèi)。PRSNT1/PRSNT2信號線用于檢查附加卡是否插入連接器。此次設(shè)計中將PRSN1和PRSNT2相連，這樣當接口板插入到PCI Express連接器時就能進行存在檢測。在此,使用+3.3 V和12 V電源，由于不使用3.3VAUX，將其連一個電容并接地。PCI Express接口部分電路，如圖5所示。

PEX8311提供兩個串行E2PROM接口，在系統(tǒng)上電后讀取配置信息。SPI串行E2PROM是PCI Express的配置E2PROM。它主要用來控制PCI Express的性能。SPI串行E2PROM可以用來預(yù)配置片上8 KB共享緩存。Microwire串行E2PROM是本地配置E2PROM，它用來控制本地總線行為，并分配合適的地址范圍。

本地總線部分是此次設(shè)計中的重點。PEX8311與CPLD相連的部分包括LA地址總線、LAD數(shù)據(jù)總線、LBE字節(jié)使能信號、LW/R讀寫信號等。

本地總線端的數(shù)據(jù)使用的是8位數(shù)據(jù)，在這種模式下LBE1和LBE0提供地址線線［1:0］。CPLD用來控制PEX8311的讀寫操作和數(shù)據(jù)傳送。

SRAM用于存放用戶的數(shù)據(jù)和代碼，為程序的運行和保存臨時文件提供空間。SRAM的數(shù)據(jù)/地址線與PEX8311相連，SRAM的管理由CPLD實現(xiàn)。XR16C854是一款通用的串口通信控制器。它帶有128位的FIFOS和獨立的接收/發(fā)送FIFO計數(shù)器，完成最基本的串行通信功能。其數(shù)據(jù)/地址由PEX8311提供，讀/寫/片選由CPLD控制。RS 422收發(fā)器要求傳輸速率高達10 Mb/s，選擇MAXⅡ公司的MAX13087E。

CPLD如何設(shè)計實現(xiàn)PEX8311本地總線控制對整個功能的實現(xiàn)起著至關(guān)重要的作用。PEX8311通過本地總線與本地設(shè)備進行通信。它支持3種本地總線數(shù)據(jù)傳輸方式：單周期模式、4周期突發(fā)模式、連續(xù)突發(fā)模式。下面簡要介紹如何用CPLD實現(xiàn)單周期模式。

圖6為PEX8311的單周期讀寫的VHDL語言時序控制狀態(tài)機設(shè)計。狀態(tài)0為空閑狀態(tài)，如本地總線請求信號LHOLD被置為1，則轉(zhuǎn)到狀態(tài)1，否則停留在狀態(tài)0。狀態(tài)1為總線保持狀態(tài)，在此狀態(tài)下應(yīng)將本地總線響應(yīng)信號LHOLDA置為1。如ADS信號為0且LW/R為1轉(zhuǎn)到狀態(tài)2；如ADS信號為1且LW/R和BLAST都為0轉(zhuǎn)到狀態(tài)3，這次操作為單周期讀。狀態(tài)2為單周期寫狀態(tài)，在此狀態(tài)下要置READY信號為0，以表示寫數(shù)據(jù)有效，在BLAST為0時轉(zhuǎn)到狀態(tài)3。狀態(tài)3為讀寫完成操作狀態(tài)，當LHOLD被置為0時，表明PEX8311不再請求本地總線，轉(zhuǎn)到狀態(tài)0，當BLAST為0且LHOLD為1時，表明PEX8311還要進行讀寫數(shù)據(jù)，則轉(zhuǎn)到狀態(tài)1繼續(xù)。

3.3 PCI Express接口板的PCB設(shè)計

PCI Express接口板的PCB設(shè)計應(yīng)遵循高速信號布線設(shè)計的要求。每個信號面都應(yīng)有一個完整的地平面作為參考面，這樣的設(shè)計使信號走線都有最佳的電流回流途徑，有效地控制串擾、EMC和信號線的阻抗，保證信號質(zhì)量。PCB板上差分阻抗為100 Ω±10 Ω，符合PCI Express規(guī)范的要求。單端阻抗為50 Ω±10 Ω。PCI Express接口的物理連接由2對差分線對組成，信號線的數(shù)據(jù)傳輸率位2.5 Gb/s。所以必須對信號的走線進行嚴格的控制。

從PEX8311的輸出信號引腳到PCI Express接口的金手指的走線長度不能超過25.4 mm。差分線對內(nèi)的2條信號線最好嚴格等長，公差不能超過±0.127 mm，走線途徑基本相同。SRAM的頻率較高，所以要注意布線的長度和路徑，以保證信號的完整性。實驗證明這樣的PCB

設(shè)計充分滿足PCI Express接口信號的傳輸要求。

4 PCI Express接口板驅(qū)動程序及軟件開發(fā)

PCI Express總線與PCI總線在軟件層是完全兼容的，因此PCI Express接口板驅(qū)動程序的開發(fā)過程與PCI設(shè)備驅(qū)動程序的開發(fā)過程是相同的。

在Windows操作系統(tǒng)下，微軟公司提供了DDK開發(fā)工具，同時其他公司也提供了開發(fā)工具，如VtoolsD,Driverworks,WinDriver等。用DDK進行開發(fā)，需要了解操作系統(tǒng)內(nèi)核知識，開發(fā)難度大，周期比較長。用其他公司的開發(fā)軟件，不用了解DDK的核心知識，開發(fā)驅(qū)動相對要快。其中JUNGO公司的WinDriver開發(fā)工具，在用戶級(ring 3)進行核心驅(qū)動開發(fā)，時間短，并且產(chǎn)生的驅(qū)動程序穩(wěn)定高效，支持不同的操作系統(tǒng)，可移植性強。用戶接口函數(shù)可采用Microsoft Visual C++6.0進行開發(fā)，提供標準的動態(tài)庫函數(shù)，可供VB,VC,Delphi等工具開發(fā)的應(yīng)用程序調(diào)用。用戶通過用戶接口函數(shù)對板卡上的資源進行調(diào)度和訪問。

該設(shè)計采用驅(qū)動程序開發(fā)工具WinDriver，進行相應(yīng)模塊的驅(qū)動程序開發(fā)，實現(xiàn)在Windows操作系統(tǒng)下的安裝和配置。

5 結(jié) 語

經(jīng)測試，該接口板在單字讀寫模式下，執(zhí)行程序死循環(huán)，CPU占用率80%以上，數(shù)據(jù)傳送速率6 Mb/s；在突發(fā)讀寫模式下，執(zhí)行內(nèi)存塊復(fù)制，CPU占用率80%以上，數(shù)據(jù)傳送速率60 Mb/s；在DMA突發(fā)讀寫模式下，執(zhí)行直接存儲，CPU占用率10%，數(shù)據(jù)傳送速率240 Mb/s。通過與普通PCI9054接口板的對比，PCI Express接口板具有明顯優(yōu)勢。

這里介紹了PCI Express接口板的軟硬件設(shè)計。提供了PCI Express接口板設(shè)計模板，為日后軍用CPCI總線功能模板向PCI－Express總線的過渡提供設(shè)計參考。

參 考 文 獻

［1］PCISIG.PCI Express 2.0 Base Specification［S］.2006.

［2］PCISIG.PCI Express Card Electromechanical Specification 1.0a［S］.2003.

［3］PLX PEX8311 RDK Hardware Reference Manual Version0.9［Z］.2005.

［4］PLX PEX8311 Data Book Version0.9［Z］.2006.

［5］EXAR XR16C845 REV3.0.1［Z］.2005.

［6］田玉敏,王菘,張波.PCI Express系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)標準教材［M］.北京:電子工業(yè)出版社,2001.

［7］黃小紅，李峰，倪衛(wèi)芳.PEX8311芯片數(shù)據(jù)傳輸研究［J］.電子工程師，2007,33(10):64－67.

［8］邵科技，孫文武.PCI Express總線技術(shù)的應(yīng)用［A］.中國計算機應(yīng)會CCF外圍設(shè)置專業(yè)委員會2006年學(xué)術(shù)年會.2006.

［9］張志明,池宇華,杜繼宏,等.PCI接口擴展卡的快速開發(fā)方案［J］.電子技術(shù)應(yīng)用,2005,31(2):13－15.

［10］張惠娟，周利華，翟鴻鳴.Windows環(huán)境下的設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2002.

作者簡介 李 丹 女，1983年出生，碩士研究生。研究方向為計算機應(yīng)用技術(shù)。

賀占莊 男，博士，總工程師。研究方向為計算機控制技術(shù)。