PCI Express總線接口板的設(shè)計與實現(xiàn)

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(dāng)時Intel稱之為“3GIO”，意為“第三代l／o標(biāo)準(zhǔn)”。PCI―SIG于2001年、2006年先后提出了PCI Express 1．o／2．0規(guī)范。
PCI―Express總線具有點(diǎn)對點(diǎn)串行互聯(lián)；雙通道、高帶寬、傳輸速度快；靈活的擴(kuò)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?dāng)n；在軟件層保持與PCI兼容等特點(diǎn)。

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 Com―plex)、交換器(Switch)、橋(Bridge)和終端設(shè)備(End―point)。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(jìn)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El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 ExpipeSS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 Expressl．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(diǎn)
(1)集成了單通道、全雙工2．5 Gb／s傳輸?shù)腜CI
Exptress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(diǎn)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E。PROM用來可選擇的導(dǎo)入配置，支持接口和Micr’OWire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(biāo)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(jī)模塊和本地總線狀態(tài)機(jī)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的地址空問及數(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(kuò)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 Expr。ess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PCIExpress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PRSNl和PRSNT2相連，這樣當(dāng)接口板插入到PCI Express連接器時就能進(jìn)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。