基于Wishbone和端點(diǎn)IP的PCIE接口設計

摘要：介紹了FPGA內嵌的PCI Express硬核端點(diǎn)模塊和Wishbone片上總線(xiàn)規范。應用VHDL語(yǔ)言，編程實(shí)現了Wishbone總線(xiàn)的主從端口，以及TLP包的編碼和解碼功能。在FPGA上運行程序并使用Chipscope測試時(shí)序波形，驗證了接口數據傳輸的穩定性和正確性。
關(guān)鍵詞：PCI Express總線(xiàn)；FPGA；PCIE端點(diǎn)模塊；Wishbone

0 引言
當前，基于FPGA實(shí)現PCI Express接口有兩種方案，一是采用第三方PHY接口器件和FPGA實(shí)現；二是采用集成GTP的FPGA來(lái)實(shí)現。集成GTP的FPGA實(shí)現PCI Express接口在鏈路效率、兼容性測試及資源可用性等方面有其獨特的優(yōu)勢。隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展和對傳輸數據速率和靈活性要求的提高，將更加趨于利用高性能FPGA(即集成GTP的FPGA)來(lái)實(shí)現PCIExpress接口功能。但是，要在FPGA上實(shí)現PCI Express通信橋接，還需要用戶(hù)根據PCI Express協(xié)議構建自己的軟IP或者向第三方或FPGA供應商購買(mǎi)IP核。構建IP核的難題在于其難度較大且開(kāi)發(fā)周期較長(cháng)；向第三方或FPGA供應商購買(mǎi)的IP，存在專(zhuān)利費用問(wèn)題。對于一些驗證性開(kāi)發(fā)，其重點(diǎn)一般在于應用功能的實(shí)現，而希望公共模塊(如PCI Express接口)的開(kāi)發(fā)在滿(mǎn)足性能的前提下，盡量少花時(shí)間和費用，從而縮短開(kāi)發(fā)周期和成本。因此，利用已有可獲取資源，實(shí)現PCI Express接口成為這類(lèi)開(kāi)發(fā)中的首選。
Xilinx的V5／V6系列FPGA芯片中已集成了硬核端點(diǎn)的PCI Express模塊，提供了PCI Express接口的底層配置，相當于提供了一個(gè)專(zhuān)用協(xié)議與PCI Express之間的橋梁。在PCI Express硬核端點(diǎn)上集成片上總線(xiàn)，實(shí)現PCI Express與應用模塊互聯(lián)，將能更快地實(shí)現PCI Express接口的開(kāi)發(fā)。
目前比較常見(jiàn)的片上總線(xiàn)規范有IBM公司的CoreConnect，ARM公司的AMBA和Silicore Corp公司的Wishbone。CoreConnect和AMBA規范復雜，在設計中需要建立連接橋以連接不同IP核。相對于其他兩種接口規范，Wishbone接口規范具有簡(jiǎn)單、高效、易于實(shí)現等特點(diǎn)，而且完全免費。因此，本文采用Wishbone總線(xiàn)規范實(shí)現PCI Exprpess接口。

1 Wishbone基本原理、Xilinx集成端點(diǎn)IP及TLP包結構
1．1 Wishhone的基本原理
Wishbone最先是由Silicore公司提出的，現在己被移交給OpenCores組織維護。其開(kāi)放性、簡(jiǎn)單性和靈活性受到廣大設計者的青睞，現在己有不少的用戶(hù)群體，特別是一些免費的IP核，采用Wishbone標準。除了具備地址／數據總線(xiàn)寬度可變、互聯(lián)結構可變及仲裁機制靈活等片上總線(xiàn)的共同特點(diǎn)外，Wishhone還包括以下特征：
(1)支持點(diǎn)到點(diǎn)、共享總線(xiàn)、十字交叉和基于交換結構的互聯(lián)；
(2)支持常用的總線(xiàn)數據傳輸協(xié)議，如單字節讀寫(xiě)周期、塊傳輸周期、控制操作及其他的總線(xiàn)事務(wù)等；
(3)主／從結構，支持多控制器和64位地址空間，從端部分地址解碼；握手協(xié)議使得每個(gè)核都可以控制數據的傳輸速度；
(4)用戶(hù)自定義標記(TAG)，確定數據傳輸類(lèi)型、中斷向量等；
(5)接口簡(jiǎn)單、緊湊，總線(xiàn)實(shí)現的邏輯單元少。
Wishhone采用主端(Master)和從端(Slave)的架構。主端模塊發(fā)出數據傳送請求，然后通過(guò)一個(gè)接口網(wǎng)絡(luò )和從端進(jìn)行數據交換，其系統結構如圖1所示。這個(gè)接口網(wǎng)絡(luò )稱(chēng)之為INTERCON，各終端之間訪(fǎng)問(wèn)通過(guò)INTERCON，INTERCON內部可根據訪(fǎng)問(wèn)情況采用不同的互連方式，Wishbone將它稱(chēng)為可變互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )?？勺兓ヂ?lián)網(wǎng)絡(luò )的連接形式有點(diǎn)對點(diǎn)、數據流、共享總線(xiàn)和交叉總線(xiàn)等。

Wishbone可變的互連方式允許系統設計工程師可以采用不同的IP核互連方式，以滿(mǎn)足不同場(chǎng)合的要求。根據需要，本設計采用點(diǎn)對點(diǎn)的總線(xiàn)互連方式。圖2給出了點(diǎn)對點(diǎn)的MASTER／SLAVE主從接口圖。其中SYSCON為產(chǎn)生時(shí)鐘和復位信號，TAGN為用戶(hù)自定義信號。