PCI Express总线接口板的设计与实现

在过去的十几年中，PCI总线得到了广泛的应用。但是随着微处理器、存储器和互连网络的飞速发展，并行数据传输的PCI总线其性能已经越来越不能满足高性能计算机平衡设计的要求。随后出现了许多串行互连技术，并行数据传输转为串行数据传输已经成为一种趋势。串行点对点的PCI Express总线以其良好的性能得到广泛应用。针对其应用，提出一种基于PCI Ex―press总线的接口板的设计与实现方法。

1 PCI Express总线简介
Intel在2001年首先提出了替代PCI总线的新总线技术――PCI Express，当时Intel称之为“3GIO”，意为“第三代l／o标准”。PCI―SIG于2001年、2006年先后提出了PCI Express 1．o／2．0规范。
PCI―Express总线具有点对点串行互联；双通道、高带宽、传输速度快；灵活的扩展性；低电源消耗，电源管理功能；支持设备热拨插和热交换；使用小型连接，节约空间，减少串拢；在软件层保持与PCI兼容等特点。

2 PCI Express总线系统结构
PCI Express的基本结构包括根组件(Root Com―plex)、交换器(Switch)、桥(Bridge)和终端设备(End―point)。集成在北桥芯片中的根组件，用于CPU和内存子系统于I／O设备之间的连接。交换器支持在不同终端设备间进行对等通信。桥是指PCI Express到PCI或PCI―X的桥接设备，实现PCI Express―to―PCI和PCI Express―to―PCI―X桥接功能，用来支持传统PCI／PCI―X设备。
终端设备可以包括多个功能模块，可以通过其有且仅有的一个上游端El与根设备或Switch连接。通常，终端设备指的是系统的外围设备，如以太网、USB或图形设备。如图1所示。

PCI Express体系结构采用分层设计，从下而上分别是：物理层(Physical Layer)、数据链路层(Data Link Layer)和事务层(Transaction Layer)。如图2所示。

3 PCI Express接口板的硬件设计
PCI Express总线接口的实现大体有2类方法：一类是使用FPGA／CPLD等可编程器件开发逻辑转换电路。根据实现功能的多少，所需的等效门密度约为5 000～15 000门，可自行编程或是购买已有IP核的产品实现；另一类是使用专用的接口芯片。前者开发成本高、难度大、周期长、测试设备昂贵，但是批量生产成本低，适合大规模全定制或半定制ASIC：的生产。而后者实现了PCI Express总线的物理层、数据链路层和事务层的控制逻辑，用户可以专注在其应用方面的开发，而不必再调试PCI ExpipeSS接口，开发难度大大降低，是实现．PCI Express接口的有效方法。
该设计选用PLX公司的专用接口芯片PEX8311作为桥接芯片来实现PCI Express接口设计。
3．1 PEX8311芯片简介
PEX8311是PLX公司开发的第一款PCI Express总线到本地总线的接口芯片。它符合PCI Expressl．0a基本规范，并且其本地端寄存器与PLX公司的PCI系列接口芯片基本兼容。
3．1．1 PEX8311的特点
(1)集成了单通道、全双工2．5 Gb／s传输的PCI
Exptress端口；
(2)本地总线配置支持8位、16位和32位的总线结构；
(3)支持复合和非复合的操作模式；
(4)高性能DMA数据传输支持块模式，集散模式，循环队列管理和命令模式；
(5)支持端点和根组件模式；
(6)芯片小型封装，适合紧凑的电路板设计；
(7)芯片低功耗设计；
(8)3．3 V的I／O并且兼容5 V系统；
(9)串行E。PROM用来可选择的导入配置，支持接口和Micr’OWire接口；
(10)有8 KB的通配共享RAM。
3．1．2 PEX8311的内部结构
PEX8311作为一种桥接芯片，在PCI Express总线和本地总线之间传递信息。它可以作为主控设备去控制2个总线，也可以作为目标设备去响应2个总线。它通过内部的控制逻辑模块、内部总线状态机模块和本地总线状态机模块共同控制芯片的数据传输。PEX8311的结构如图3所示。

3．1．3 PEX8311的地址空问及数据传输方式
PEX8311的地址空间分为PCI Express地址空间和局部地址空间。前者包括配置寄存器、I／O空间、内存映射I／O(32位)、可预取内存空间(64位)；后者包括空间0、空间1、扩展RAM空间。
PEX8311支持3种数据传输方式。分别是：主模式(Direct Master)、从模式(Direct Slave)、直接存储器存取模式(DMA)。
3．2 PCI Express接口板的硬件设计方案
采用PEX8311的接口板设计在逻辑上可分为3个功能模块：PCI Expr。ess接口部分、E2PROM部分和本地总线部分，如图4所示。

PEX8311提供完备的PCI Express从设备支持，PCI Express接口部分的信号线可以直接与PCIExpress连接器(俗称金手指)连接。其中，REFCLK±是一组差分时钟，它由系统主板提供。2个参考时钟都要求保持在正常工作频率100 MHz的±300 ppm之内。PRSNT1/PRSNT2信号线用于检查附加卡是否插入连