采用FPGA快速实现PCI Express应用

面对设计复杂、成本和产品上市时间的压力，设计工程师需要一种快速而简单的方法在系统中实现PCI Express。本文介绍了在FPGA中实现PCI Express的细节和优势，这些优势包括更快的产品上市时间、简化的设计流程、可重构性以及经过验证的兼容性。

在获得巨大发展动力后，PCI Express作为下一代系统的一种标准选择而逐渐兴起。PCI

图1：FPGA中PCI Express层。

Express已在存储应用中得到实现，随着先进交换技术的出现，通讯领域将很快成为PCI Express的另一个应用目标。快速构建新系统需要有一种快速而简单的方法以在PCI Express器件中进行设计。

PCI Express是一种工作在2.5Gbps速率上的串行I/O标准，它要求设计者具有与高速数据速率相关的设计复杂性方面的知识。FPGA为快速地将器件集成到PCI Express系统中提供了一种理想的解决方案。通过FPGA中已有的高速收发器模块及现有的PCI Express IP内核，与其它PCI Express器件连接，可为产品迅速上市提供一种经济的手段。

作为一种标准协议，尽管PCI Express具有不少优势，但它也带来了许多需要解决的挑战。对任何一种新的协议，设计者都必须在没有先前经验的情况下进行设计。对于那些从PCI或PCI-X转向高速论坛的设计者来说，必须认识到其复杂性。

高速链路设计要求设计者具有很强的高速模拟设计技能。当数据速率达到1Gbps以上时，I/O缓冲器的设计需进行重大改变，同时电路板布局布线技术变得非常关键，时钟数据恢复(CDR)电路也显得极为重要。除了模拟方面的考虑，高速率时处理数据所需的数字逻辑也很不一样，编码方案及补偿逻辑使其物理层与采用较低速度协议的物理层有极大不同。PCI Express规范虽然提出了互用性的要求，但没有限制实现的方法，这允许设计可针对系统进行优化实现，同时要求设计者拥有实现技术方面的广泛知识。

与实现这种全新且复杂的协议有关的设计挑战将直接影响产品的上市时间。假设协议很快被采纳，产品必须在尽量短的时间内推向市场。然而大多数没有直接参与协议标准化过程的公司将经历一段颇为曲折的学习过程，因此对产品上市造成不必要的延迟。

FPGA器件为PCI Express设计新手所面临的众多挑战提供了一种解决方案。由于内置高速收发器模块和可编程结构，FPGA器件使快速实现设计变得容易了。就算设计反复来得更快，FPGA器件的设计周期也具有与生俱来的优势。情况确实如此，因为FPGA器件工具流程允许用FPGA逻辑有效地进行大规模设计。总体来说，能加快产品上市时间是FPGA能提供的一个主要优势。

FPGA器件还拥有可供设计者使用的内置高速收发器逻辑。这些专门的高速收发器模块被设计用来支持PCI Express所需的超过2.5Gbps的数据速率。使用这些收发器模块的一个主要优势在于FPGA供应商专门针对PCI Express对它们进行了测试。FPGA器件还通过了由 PCI特别兴趣小组(PCI-SIG)主持的相容性和插拔测试大会对其进行的测试。倘若在进行PCI Express设计时出现了模拟设计的挑战， FPGA器件可提供使用经过模拟电路验证的互用性测试的能力。

PCI-SIG定义了测试PCI Express各层的方法，很容易对使用FPGA器件的情况进行概念性验证。由于大多数工业PCI Express实现已在正式的相容性测试大会上测试过，所以FPGA器件提供了一种独特的机会，即在设计之前就可保证产品的兼容性。

除了物理层，数据链路层及处理层也在FPGA逻辑中实现。虽然PCI Express规范对这些要求进行了详细定义，但也留给使用者很大的实现空间。那些想以最快速度来验证FPGA实现的设计者，可购买已针对FPGA架构进行了优化的IP。FPGA厂商一直在努力整合一种包括处理层、数据链路层及物理层在内的完整PCI Express解决方案。高速收发器可在物理层使用，而IP则可用于处理层、数据链路层及部分物理层。这使设计者能专注于软件实现，且只需考虑与PCI Express的接口部分。设计者只要做很少的工作，就可使用IP及内置高速收发器将现有PCI-X和PCI系统集成到PCI Express里。

图2：采用了FPGA器件的PCI Express架构。

FPGA器件的另一个主要优势是可重构性。利用FPGA器件的这个特性，可立即对设计进行修改以改变设计，并可能实现另一种完全不同的系统。这能缩短设计周期并使修改设计变得简单。如果需要的话，FPGA 的这些特性可实现完全不同的PCI Express接口。这些灵活的系统能够改变PCI Express的核心特性，包括通道数目和改变虚拟通道。数据包的优先级可