面對(duì)設(shè)計(jì)復(fù)雜、成本和產(chǎn)品上市時(shí)間的壓力，設(shè)計(jì)工程師需要一種快速而簡(jiǎn)單的方法在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)PCI Express。本文介紹了在FPGA中實(shí)現(xiàn)PCI Express的細(xì)節(jié)和優(yōu)勢(shì)，這些優(yōu)勢(shì)包括更快的產(chǎn)品上市時(shí)間、簡(jiǎn)化的設(shè)計(jì)流程、可重構(gòu)性以及經(jīng)過驗(yàn)證的兼容性。

    在獲得巨大發(fā)展動(dòng)力后，PCI Express作為下一代系統(tǒng)的一種標(biāo)準(zhǔn)選擇而逐漸興起。PCI

圖1：FPGA中PCI Express層。

    Express已在存儲(chǔ)應(yīng)用中得到實(shí)現(xiàn)，隨著先進(jìn)交換技術(shù)的出現(xiàn)，通訊領(lǐng)域?qū)⒑芸斐蔀镻CI Express的另一個(gè)應(yīng)用目標(biāo)�？焖贅�(gòu)建新系統(tǒng)需要有一種快速而簡(jiǎn)單的方法以在PCI Express器件中進(jìn)行設(shè)計(jì)。

    PCI Express是一種工作在2.5Gbps速率上的串行I/O標(biāo)準(zhǔn)，它要求設(shè)計(jì)者具有與高速數(shù)據(jù)速率相關(guān)的設(shè)計(jì)復(fù)雜性方面的知識(shí)。FPGA為快速地將器件集成到PCI Express系統(tǒng)中提供了一種理想的解決方案。通過FPGA中已有的高速收發(fā)器模塊及現(xiàn)有的PCI Express IP內(nèi)核，與其它PCI Express器件連接，可為產(chǎn)品迅速上市提供一種經(jīng)濟(jì)的手段。

    作為一種標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，盡管PCI Express具有不少優(yōu)勢(shì)，但它也帶來了許多需要解決的挑戰(zhàn)。對(duì)任何一種新的協(xié)議，設(shè)計(jì)者都必須在沒有先前經(jīng)驗(yàn)的情況下進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于那些從PCI或PCI-X轉(zhuǎn)向高速論壇的設(shè)計(jì)者來說，必須認(rèn)識(shí)到其復(fù)雜性。

    高速鏈路設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)者具有很強(qiáng)的高速模擬設(shè)計(jì)技能。當(dāng)數(shù)據(jù)速率達(dá)到1Gbps以上時(shí)，I/O緩沖器的設(shè)計(jì)需進(jìn)行重大改變，同時(shí)電路板布局布線技術(shù)變得非常關(guān)鍵，時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)(CDR)電路也顯得極為重要。除了模擬方面的考慮，高速率時(shí)處理數(shù)據(jù)所需的數(shù)字邏輯也很不一樣，編碼方案及補(bǔ)償邏輯使其物理層與采用較低速度協(xié)議的物理層有極大不同。PCI Express規(guī)范雖然提出了互用性的要求，但沒有限制實(shí)現(xiàn)的方法，這允許設(shè)計(jì)可針對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化實(shí)現(xiàn)，同時(shí)要求設(shè)計(jì)者擁有實(shí)現(xiàn)技術(shù)方面的廣泛知識(shí)。

    與實(shí)現(xiàn)這種全新且復(fù)雜的協(xié)議有關(guān)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)將直接影響產(chǎn)品的上市時(shí)間。假設(shè)協(xié)議很快被采納，產(chǎn)品必須在盡量短的時(shí)間內(nèi)推向市場(chǎng)。然而大多數(shù)沒有直接參與協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化過程的公司將經(jīng)歷一段頗為曲折的學(xué)習(xí)過程，因此對(duì)產(chǎn)品上市造成不必要的延遲。

    FPGA器件為PCI Express設(shè)計(jì)新手所面臨的眾多挑戰(zhàn)提供了一種解決方案。由于內(nèi)置高速收發(fā)器模塊和可編程結(jié)構(gòu)，F(xiàn)PGA器件使快速實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)變得容易了。就算設(shè)計(jì)反復(fù)來得更快，F(xiàn)PGA器件的設(shè)計(jì)周期也具有與生俱來的優(yōu)勢(shì)。情況確實(shí)如此，因?yàn)镕PGA器件工具流程允許用FPGA邏輯有效地進(jìn)行大規(guī)模設(shè)計(jì)�？傮w來說，能加快產(chǎn)品上市時(shí)間是FPGA能提供的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)。

    FPGA器件還擁有可供設(shè)計(jì)者使用的內(nèi)置高速收發(fā)器邏輯。這些專門的高速收發(fā)器模塊被設(shè)計(jì)用來支持PCI Express所需的超過2.5Gbps的數(shù)據(jù)速率。使用這些收發(fā)器模塊的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)在于FPGA供應(yīng)商專門針對(duì)PCI Express對(duì)它們進(jìn)行了測(cè)試。FPGA器件還通過了由 PCI特別興趣小組(PCI-SIG)主持的相容性和插拔測(cè)試大會(huì)對(duì)其進(jìn)行的測(cè)試。倘若在進(jìn)行PCI Express設(shè)計(jì)時(shí)出現(xiàn)了模擬設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)， FPGA器件可提供使用經(jīng)過模擬電路驗(yàn)證的互用性測(cè)試的能力。

    PCI-SIG定義了測(cè)試PCI Express各層的方法，很容易對(duì)使用FPGA器件的情況進(jìn)行概念性驗(yàn)證。由于大多數(shù)工業(yè)PCI Express實(shí)現(xiàn)已在正式的相容性測(cè)試大會(huì)上測(cè)試過，所以FPGA器件提供了一種獨(dú)特的機(jī)會(huì)，即在設(shè)計(jì)之前就可保證產(chǎn)品的兼容性。

    除了物理層，數(shù)據(jù)鏈路層及處理層也在FPGA邏輯中實(shí)現(xiàn)。雖然PCI Express規(guī)范對(duì)這些要求進(jìn)行了詳細(xì)定義，但也留給使用者很大的實(shí)現(xiàn)空間。那些想以最快速度來驗(yàn)證FPGA實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)者，可購買已針對(duì)FPGA架構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化的IP。FPGA廠商一直在努力整合一種包括處理層、數(shù)據(jù)鏈路層及物理層在內(nèi)的完整PCI Express解決方案。高速收發(fā)器可在物理層使用，而IP則可用于處理層、數(shù)據(jù)鏈路層及部分物理層。這使設(shè)計(jì)者能專注于軟件實(shí)現(xiàn)，且只需考慮與PCI Express的接口部分。設(shè)計(jì)者只要做很少的工作，就可使用IP及內(nèi)置高速收發(fā)器將現(xiàn)有PCI-X和PCI系統(tǒng)集成到PCI Express里。

圖2：采用了FPGA器件的PCI Express架構(gòu)。

    FPGA器件的另一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是可重構(gòu)性。利用FPGA器件的這個(gè)特性，可立即對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改以改變?cè)O(shè)計(jì)，并可能實(shí)現(xiàn)另一種完全不同的系統(tǒng)。這能縮短設(shè)計(jì)周期并使修改設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單。如果需要的話，F(xiàn)PGA 的這些特性可實(shí)現(xiàn)完全不同的PCI Express接口。這些靈活的系統(tǒng)能夠改變PCI Express的核心特性，包括通道數(shù)目和改變虛擬通道。數(shù)