采用FPGA快速实现PCI Express应用

以改变以得到有效的适应性方法，还可改变模拟特性以利于电路板设计。FPGA I/O缓冲器具有改变电压电平、去加重及接收均衡的能力。对板级设计来说，去加重和接收均衡是两项极为重要的特性，无需进行重新配置器件即可动态改变这些参数。

PCI Express组件可分成为端点、交换器、PCI Express-PCI桥接器以及根联合体(root complex)。每个组件具有不同的功能，并能以不同方式来使用FPGA器件。FPGA器件可用于任何一种组件，但适用程度不相同。当设计一种给定的系统时，重要的是须记住每一种组件的要求，以保证整个系统能无缝接口。

端点与交换器和根联合体连接，这很显然非常适合采用FPGA器件。端点具有不同的功能且需要一些额外的资源来与PCI Express架构交互。端点应用可以在FPGA器件里实现，而高速收发器则可用于PCI Express通讯。这使设计者能够用FPGA器件来实现实际的端点应用并充分利用PCI Express现有的特性。端点只是一个PCI Express组件，不太可能成为PCI Express的专有，它需要适合于组件的用途，并与其他PCI Express组件进行通讯。因此FPGA的灵活性需要适合于特定的组件。目前的PCI Express IP支持端点应用，并很容易配置为适合组件用途。

交换器是一种用来"桥接"多个PCI Express器件的PCI Express特殊组件。交换器拥有用来发送信息的上、下行端口。FPGA器件很适合这些执行上下行链接的应用。交换器极容易用FPGA器件来实现，使用IP就能迅速做到这点。因为FPGA的可重构性，所以也很容易改变系统要求和数据包的优先级别。

PCI Express-PCI桥接设备是一种非常适合于用FPGA器件来实现的组件。FPGA器件已在PCI及PCI-X系统中使用了很多年，其接口经过了严格的测试。FPGA器件也适合实现跨多种不同数据速率的多I/O标准。信息可按用户要求从PCI Express架构传输到PCI或PCI-X系统，针对所有这些协议的IP已有供应，这使该过程更加容易完成。

FPGA器件可以用来实现PCI Express架构中的根联合体，但似乎采用ASIC更适合一些。不管怎样，已有IP支持这种结构并允许设计者配置根联合体以完成所需任务。

能以多种方式使用FPGA器件来支持PCI Express。设计者可选择用FPGA实现全部或部分协议。如果整个协议都用FPGA实现，则除FPGA逻辑外，还需使用高速收发器模块。如果设计者选择用另一种芯片来实现物理层时，FPGA则可实现数据链路层及处理层。为提供低成本的解决方案，目前已经有带PIPE规范接口的收发器芯片，可与低成本FPGA配合使用以实现低成本的解决方案。

图3：带PCI Express掩模的FPGA眼图。

如果整个协议都用FPGA来实现，则高速收发器模块支持PCI Express协议的物理层特性。整个物理层将结合专用高速收发器模块与FPGA逻辑来实现，而数据链路层及处理层则将完全以FPGA逻辑来实现。设计者可选择完全自己设计各个层或购买相应的IP来实现设计。

高速收发器块将运行在PCI Express协议所需的2.5Gbps速率上。它还拥有能从数据中可靠地提取时钟的专用时钟数据恢复(CDR)电路，需要采用8B/10B编码方案以帮助时钟恢复。通道的数量可适应大多数常见的链路要求。

PCI Express要求电特性能确保数据的正确传输，需要具有-3.5dB去加重的1V差分电压。FPGA器件可满足这些需求，而且还可在实验室环境中动态改变该差分电压和去加重值以帮助调试电路板。接收通道还具有可动态调整以适应传输线高频损耗的接收均衡。PCI Express规范还要求有扩展频谱时序(SSC)。FPGA器件可利用+0%至-0.5%调制的时钟来满足所有SSC要求且无需任何特殊的考虑。在大部分PCI Express系统中SSC变得越来越重要。在实现过程中，设计者必须能控制收发器的特性(包括前面提到的特性)，以便最好地满足特定系统的要求。

FPGA器件为设计者提供了这样一个独特的机会，即当新协议在市场上出现时，无需很长时间便可迅速地以低成本实现PCI Express组件。对于那些首次进入高速论坛的设计者而言，使用嵌入在FPGA器件中的专用高速收发器模块是一种安全的实现方法。FPGA器件经过了PCI Express相容性测试大会的验证，并在众多PCI Express应用中使用。PCI Express有望成为下一代系统选用的协议，从目前市场来看，能迅速启动PCI Express设计是非常重要的。

作者：Karen Virk

高级应用工程师

Email：kvirk@altera.com

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