PCI Express——高速串行互聯接口標準

摘要： 本文介紹了PCI Express以及用FPGA實現PCI Express接口的優勢。

關鍵詞： PCI Express；FPGA

PCI Express是從PCI發展而來的一種系統互聯接口標準。PCI和PCI-X都是基于32位以及64位的并行總線，而PCI Express則使用高速串行總線。PCI Express后向兼容于PCI，能夠靈活地提供大峰值帶寬。表1對比了三種PCI標準的特性。

表1 PCI標準對比

一對同時工作的發送和接收通道被稱為一個通路。發送和接收通道使用低電壓差分信號(LVDS)標準傳輸數據。數據時鐘嵌入在每個通道中，以實現非常高的數據速率。

圖1 PCI Express鏈路

一條PCI Express鏈路由多條通路組成，在鏈路中增加更多的通路可提高PCI Express鏈路的帶寬。規范支持的鏈路通路帶寬有x1、x4、x8和x16四種。

PCI Express的高級特性包括：
*主動功耗管理
在PCI Express中，不管總線上是否有信號傳送，總線接口總是一直在工作。空閑狀態下，總線上沒有任何操作時，這樣會導致很高的功耗。為降低功耗，PCI Express提供了主動功耗管理機制，以便降低總線空閑時的功耗。

*實時數據流量
PCI Express保證數據包在虛擬通道的給定時間內到達其目的地，實現了不同等級的服務質量(QoS)。

*熱插拔
PCI Express支持系統工作時的熱插拔，縮短了系統更新和調試階段的停機時間。

*誤碼探測和糾正
由于數據鏈路層的循環冗余碼校驗(CRC)功能，PCI Express能夠更好地檢查數據完整性，進行誤碼處理，提高總線操作的可靠性，增強數據恢復的能力。

實現PCI Express接口的難點

采用定制邏輯在專用產品中實現PCI Express接口有很多難點：

*自適應硬件：設計專用產品所選用的硬件平臺必須能夠滿足PCI Express協議的電氣規范和性能要求。在存儲器、服務器和背板等典型PCI Express終端應用中，基于PC的網絡在帶寬需求和數據速率上發展很快。這類產品還需要靈活地適應那些可能替代現有標準的新標準。

*系統性能：由于PCI Express鏈路的預期數據速率在Gbps范圍內，因此，時序裕量非常緊張。實現任何PCI Express接口都必須滿足系統嚴格的性能要求。

*可靠性：要實現這一協議必須保證產品在可能經受的工作電壓和溫度(PVT)變化范圍內有可靠的性能表現。

*通用性：PCI Express接口經常用于連接不同的半導體器件。因此，該協議的產品必須與市場上其他PCI Express器件兼容。

*使用方便：對于系統設計人員而言，PCI Express應該實現起來比較簡單(或者換句話說，打開包裝就能用)。這一般是指能夠提供參考設計、界面友好的軟件工具、驗證設計的原型開發平臺，以及完整的文檔等。

FPGA中的PCI Express接口

FPGA通常用于橋接使用不同協議的器件。而且，由于邏輯門容量的增加，系統級特性的豐富，以及系統吞吐量的提高，FPGA還被逐步承擔系統核心功能。

在最近幾年中，FPGA供應商開始采用吉比特收發器模塊等硬件IP來實現高數據速率的高速串行I/O接口。例如，Altera公司的Stratix II GX FPGA每通道數據速率高達6.375 Gbps。采用吉比特收發器模塊，現在可以在一片FPGA中實現高速串行協議，包括千兆以太網、串行Rapid IO、PCI Express、XAUI和HD-SDI等。

吉比特收發器模塊一般包括物理層和物理編碼子層(PCS)，如圖2所示。上層協議以硬件描述語言(HDL)編寫的IP在FPGA架構中實現。

圖2 PCI Express高速串行I/O

FPGA的PCI Express接口有明顯的優勢：
*靈活性：由于FPGA架構在本質上具有可編程性，因此，采用FPGA的任何產品在通路數量、特性、實現定制硬件的可能性，以及與其他半導體器件的連接都有很大的靈活性。

*容易更新：采用FPGA的產品能夠適應協議和功能需求的變化。因此，這類產品能夠避免過時，容易進行更新。

*性能成熟：FPGA中的吉比特收發器模塊能夠保證具有時序裕量。圖3中的PCI Express眼圖經過驗證，符合PCI-SIG標準。這意味著，用戶甚至在啟動設計之前，就可以確信產品的兼容性。

圖3 Stratix II GX 中的PCI Express接口符合PCI-SIG

*使用方便：FPGA供應商還提供開發板、參考設計和設計指南，降低了實現PCI Express接口的難度。例如，Altera提供界面友好的PCI編譯器工具，很容易在Stratix II GX FPGA中對多通路PCI Express接口進行定制、構建和測試(圖4)。

圖4 使用方便的PCI編譯器軟件工具

*通用性：Stratix II GX FPGA在與其他PCI Express兼容器件在通用性上成功地通過了測試，例如Freescale公司的PowerQUICC III處理器。

FPGA中集成了吉比特收發器之后，以前采用分立收發器芯片的高速系統設計人員，現在可以充分利用FPGA的靈活性以及產品及時面市的優勢，將精力集中在創造更高效能和降低風險上，同時他們還能夠及時應對市場上的各種需求變化。