PCI Express總線接口板的設計與實現

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――PCI Express，當時Intel稱之為“3GIO”，意為“第三代l／o標準”。PCI―SIG于2001年、2006年先后提出了PCI Express 1．o／2．0規范。
PCI―Express總線具有點對點串行互聯；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；支持設備熱撥插和熱交換；使用小型連接，節約空間，減少串攏；在軟件層保持與PCI兼容等特點。

2 PCI Express總線系統結構
PCI Express的基本結構包括根組件(Root Com―plex)、交換器(Switch)、橋(Bridge)和終端設備(End―point)。集成在北橋芯片中的根組件，用于CPU和內存子系統于I／O設備之間的連接。交換器支持在不同終端設備間進行對等通信。橋是指PCI Express到PCI或PCI―X的橋接設備，實現PCI Express―to―PCI和PCI Express―to―PCI―X橋接功能，用來支持傳統PCI／PCI―X設備。
終端設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與根設備或Switch連接。通常，終端設備指的是系統的外圍設備，如以太網、USB或圖形設備。如圖1所示。

PCI Express體系結構采用分層設計，從下而上分別是：物理層(Physical Layer)、數據鏈路層(Data Link Layer)和事務層(Transaction Layer)。如圖2所示。

3 PCI Express接口板的硬件設計
PCI Express總線接口的實現大體有2類方法：一類是使用FPGA／CPLD等可編程器件開發邏輯轉換電路。根據實現功能的多少，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核的產品實現；另一類是使用專用的接口芯片。前者開發成本高、難度大、周期長、測試設備昂貴，但是批量生產成本低，適合大規模全定制或半定制ASIC：的生產。而后者實現了PCI Express總線的物理層、數據鏈路層和事務層的控制邏輯，用戶可以專注在其應用方面的開發，而不必再調試PCI ExpipeSS接口，開發難度大大降低，是實現．PCI Express接口的有效方法。
該設計選用PLX公司的專用接口芯片PEX8311作為橋接芯片來實現PCI Express接口設計。
3．1 PEX8311芯片簡介
PEX8311是PLX公司開發的第一款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傳輸的PCI
Exptress端口；
(2)本地總線配置支持8位、16位和32位的總線結構；
(3)支持復合和非復合的操作模式；
(4)高性能DMA數據傳輸支持塊模式，集散模式，循環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計；
(7)芯片低功耗設計；
(8)3．3 V的I／O并且兼容5 V系統；
(9)串行E。PROM用來可選擇的導入配置，支持接口和Micr’OWire接口；
(10)有8 KB的通配共享RAM。
3．1．2 PEX8311的內部結構
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。它可以作為主控設備去控制2個總線，也可以作為目標設備去響應2個總線。它通過內部的控制邏輯模塊、內部總線狀態機模塊和本地總線狀態機模塊共同控制芯片的數據傳輸。PEX8311的結構如圖3所示。

3．1．3 PEX8311的地址空問及數據傳輸方式
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、內存映射I／O(32位)、可預取內存空間(64位)；后者包括空間0、空間1、擴展RAM空間。
PEX8311支持3種數據傳輸方式。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接口板的硬件設計方案
采用PEX8311的接口板設計在邏輯上可分為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。PRSNT1/PRSNT2信號線用于檢查附加卡是否插入連接器。此次設計中將PRSNl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。