PCI Express總線(xiàn)接口板的設計與實(shí)現

1 PCI Express總線(xiàn)簡(jiǎn)介
Intel在2001年首先提出了替代PCI總線(xiàn)的新總線(xiàn)技術(shù)――PCI Express，當時(shí)Intel稱(chēng)之為“3GIO”，意為“第三代l／o標準”。PCI―SIG于2001年、2006年先后提出了PCI Express 1．o／2．0規范。
PCI―Express總線(xiàn)具有點(diǎn)對點(diǎn)串行互聯(lián)；雙通道、高帶寬、傳輸速度快；靈活的擴展性；低電源消耗，電源管理功能；支持設備熱撥插和熱交換；使用小型連接，節約空間，減少串攏；在軟件層保持與PCI兼容等特點(diǎn)。

2 PCI Express總線(xiàn)系統結構
PCI Express的基本結構包括根組件(Root Com―plex)、交換器(Switch)、橋(Bridge)和終端設備(End―point)。集成在北橋芯片中的根組件，用于CPU和內存子系統于I／O設備之間的連接。交換器支持在不同終端設備間進(jìn)行對等通信。橋是指PCI Express到PCI或PCI―X的橋接設備，實(shí)現PCI Express―to―PCI和PCI Express―to―PCI―X橋接功能，用來(lái)支持傳統PCI／PCI―X設備。
終端設備可以包括多個(gè)功能模塊，可以通過(guò)其有且僅有的一個(gè)上游端El與根設備或Switch連接。通常，終端設備指的是系統的外圍設備，如以太網(wǎng)、USB或圖形設備。如圖1所示。

PCI Express體系結構采用分層設計，從下而上分別是：物理層(Physical Layer)、數據鏈路層(Data Link Layer)和事務(wù)層(Transaction Layer)。如圖2所示。

3 PCI Express接口板的硬件設計
PCI Express總線(xiàn)接口的實(shí)現大體有2類(lèi)方法：一類(lèi)是使用FPGA／CPLD等可編程器件開(kāi)發(fā)邏輯轉換電路。根據實(shí)現功能的多少，所需的等效門(mén)密度約為5 000～15 000門(mén)，可自行編程或是購買(mǎi)已有IP核的產(chǎn)品實(shí)現；另一類(lèi)是使用專(zhuān)用的接口芯片。前者開(kāi)發(fā)成本高、難度大、周期長(cháng)、測試設備昂貴，但是批量生產(chǎn)成本低，適合大規模全定制或半定制ASIC：的生產(chǎn)。而后者實(shí)現了PCI Express總線(xiàn)的物理層、數據鏈路層和事務(wù)層的控制邏輯，用戶(hù)可以專(zhuān)注在其應用方面的開(kāi)發(fā)，而不必再調試PCI ExpipeSS接口，開(kāi)發(fā)難度大大降低，是實(shí)現．PCI Express接口的有效方法。
該設計選用PLX公司的專(zhuān)用接口芯片PEX8311作為橋接芯片來(lái)實(shí)現PCI Express接口設計。
3．1 PEX8311芯片簡(jiǎn)介
PEX8311是PLX公司開(kāi)發(fā)的第一款PCI Express總線(xiàn)到本地總線(xiàn)的接口芯片。它符合PCI Expressl．0a基本規范，并且其本地端寄存器與PLX公司的PCI系列接口芯片基本兼容。
3．1．1 PEX8311的特點(diǎn)
(1)集成了單通道、全雙工2．5 Gb／s傳輸的PCI
Exptress端口；
(2)本地總線(xiàn)配置支持8位、16位和32位的總線(xiàn)結構；
(3)支持復合和非復合的操作模式；
(4)高性能DMA數據傳輸支持塊模式，集散模式，循環(huán)隊列管理和命令模式；
(5)支持端點(diǎn)和根組件模式；
(6)芯片小型封裝，適合緊湊的電路板設計；
(7)芯片低功耗設計；
(8)3．3 V的I／O并且兼容5 V系統；
(9)串行E。PROM用來(lái)可選擇的導入配置，支持接口和Micr’OWire接口；
(10)有8 KB的通配共享RAM。
3．1．2 PEX8311的內部結構
PEX8311作為一種橋接芯片，在PCI Express總線(xiàn)和本地總線(xiàn)之間傳遞信息。它可以作為主控設備去控制2個(gè)總線(xiàn)，也可以作為目標設備去響應2個(gè)總線(xiàn)。它通過(guò)內部的控制邏輯模塊、內部總線(xiàn)狀態(tài)機模塊和本地總線(xiàn)狀態(tài)機模塊共同控制芯片的數據傳輸。PEX8311的結構如圖3所示。

3．1．3 PEX8311的地址空問(wèn)及數據傳輸方式
PEX8311的地址空間分為PCI Express地址空間和局部地址空間。前者包括配置寄存器、I／O空間、內存映射I／O(32位)、可預取內存空間(64位)；后者包括空間0、空間1、擴展RAM空間。
PEX8311支持3種數據傳輸方式。分別是：主模式(Direct Master)、從模式(Direct Slave)、直接存儲器存取模式(DMA)。
3．2 PCI Express接口板的硬件設計方案
采用PEX8311的接口板設計在邏輯上可分為3個(gè)功能模塊：PCI Expr。ess接口部分、E2PROM部分和本地總線(xiàn)部分，如圖4所示。

PEX8311提供完備的PCI Express從設備支持，PCI Express接口部分的信號線(xiàn)可以直接與PCIExpress連接器(俗稱(chēng)金手指)連接。其中，REFCLK±是一組差分時(shí)鐘，它由系統主板提供。2個(gè)參考時(shí)鐘都要求保持在正常工作頻率100 MHz的±300 ppm之內。PRSNT1/PRSNT2信號線(xiàn)用于檢查附加卡是否插入連接器。此次設計中將PRSNl和PRSNT2相連，這樣當接口板插入到PCI Express連接器時(shí)就能進(jìn)行存在檢測。在此，使用+3．3 V和12 V電源，由于不使用3．3VAUX，將其連一個(gè)電容并接地。PCI Express接口部分電路，如圖5所示。