Xilinx PCIe高速接口入门实战（一）

引言：本文对Xilinx 7 Series Intergrated Block for PCI Express PCIe硬核IP进行简要介绍，主要包括7系列FPGA PCIe硬核资源支持、三IP硬核差异、PCIe硬核资源利用等相关内容。

1. 概述

1.1 7系列FPGA PCIe硬件资源支持

7系列FPGA对PCIe接口最大支持如表1所示。

表1：7系列FPGA器件最大资源支持

Spartan-7系列不包含PCIe硬核，Artix-7和Kintex-7包含1个PCIe Gen2硬核，Virtex-7根据器件资源不同支持2~4个PCIe Gen3硬核。

1.2 PCIe硬核IP

Xilinx 7系列FPGA集成了PCIe硬核IP模块，该IP核中固化了PCIe物理层和数据链路层协议相关设计，降低了PCIe协议的使用难度。对于事务层接口，7系列FPGA提供了三种不同的IP核供选择，如图1所示。

图1：7系列FPGA三种不同的IP核

图2：7 Series Intergrated Block for PCI Express核框图

7 Series Intergrated Block for PCI Express：如图2所示，它是最基础的PCIe IP，实现的是PCIe的物理层、数据链路层，提供给用户的是以AXI4-stream接口定义的TLP包。它是这三种IP中资源使用最小，最灵活，也是开发难度最大的。用户如果要往主机发数据，需要在逻辑端组好MEM_WR事务包送到AXI4-stream接口，同样要从主机获取数据，就要发送MEM_RD事务包，然后获取到COMPLETE事务包，再从COMPLETE事务包中提取出数据。使用该IP核，需要对PCIe协议有清楚的理解，特别是对事务包 TLP 报文格式。

图3：AXI Memory Mapped To PCI Express IP核框图

AXI Memory Mapped To PCI Express：如图3所示，它对第①中IP核进行了增强封装，简化设计，提供了AXI MM/S桥接，该桥不仅实现了AXI4 to stream的功能，还提供了事务层包TLP的组装和拆卸、地址转换、错误处理等功能。使用该IP时，用户只需通过AXI4接口接收和发送PCIe数据，不需要组装和拆卸事务包。从逻辑资源消耗的角度来看，居三种IP之中，开发难度也是居三种IP之中。

图4：AXI Memory Mapped To PCI Express IP核框图

DMA/Bridge Subsystem for PCI Express：如图4所示，它也叫做 XDMA，相较于上一种IP，该IP不仅完成了事务层的组包解包，还添加了完整的DMA引擎。虽然在资源利用方面居三者之最，但开发难度也是三种IP最小的，完全不了解PCIe总线协议也可使用该IP开发PCIe。XDMA虽然简单易用，但XDMA也有它的局限，主要表现在两个方面：

1）XDMA正如其名字中的DMA一样，适用与大批量的数据传输场景，不适合小数据场景；

2）XDMA只能用于PCIe的终端（endpoint）设备，不能用于Root Port，另外二个IP既可以用于终端（endpoint）设备，也可以用与Root Port。

2. 7 Series Intergrated Block for PCI Express IP核特性

该IP核集成块是一种可扩展、高带宽和可靠的串行互连构建块，适用于Xilinx®Zynq®-7000 SoC和7系列FPGA系列。该集成块支持5Gb/s（Gen2）速度的x1、x2、x4和x8通道端点配置和根端口配置，所有这些配置都符合PCI Express基本规范2.1版。该解决方案支持AMBA®AXI4 Stream接口户用户界面。凭借更高的每引脚带宽、低开销、低延迟、减少的信号完整性问题和CDR架构。其主要特性如下：

●高性能、高度灵活、可扩展、可靠的通用I/O内核；

●采用Xilinx Smart IP技术，保证关键时序；

●7系列FPGA系列使用GTXE2或GTPE2收发器：

     ○支持2.5 GT/s和5.0 GT/s线速度

     ○支持x1、x2、x4和x8通道

     ○弹性缓冲和时钟补偿

     ○自动时钟数据恢复

●支持端点（EP）和根端口配置（RC）；

●8B/10B编码和解码；

●根据PCI Express规范要求支持通道反转和通道极性反转；

●标准化用户界面；

●符合PCI/PCI Express电源管理功能和事务排序规则；

●支持高达1024字节的最大事务有效载荷；

●支持最多32个矢量的多矢量msi和msi-x；

●升级配置功能实现了应用程序驱动的带宽可扩展性。

3. 典型应用领域

PCIe典型应用领域包括：

●电信网络；

●宽带有线和无线应用程序；

●网络接口卡；

●芯片到芯片和背板接口卡；

●用于各种应用程序的服务器 add-in 附加卡。

●数据通信网络。

4. PCIe硬核资源利用

7 Series Intergrated Block for PCI Express支持的线速及用户接口位宽如表2所示。

表2：7 Series Intergrated Block for PCI Express支持的线速及用户接口位宽

表3显示了针对不同通道配置，PCIe硬核资源使用情况。

表3：针对不同通道配置，PCIe硬核资源使用情况

表4显示了针对不同通道、线速配置，PCIe硬核BUFG资源使用情况。

表4：针对不同通道、线速配置，PCIe硬核BUFG资源使用情况