FPGA中實(shí)施PCI Express橋接解決方案

使用 FPGA 的優(yōu)勢(shì)之一是能夠?qū)嵤┙?jīng)過(guò)驗(yàn)證的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，以快速、自信地完成橋接功能?？纯匆粋€(gè)常見(jiàn)但復(fù)雜的接口 PCI Express，就可以證明這些好處。

與其前身外圍組件互連 （PCI） 一樣，PCI Express （PCIe） 正在成為一種無(wú)處不在的系統(tǒng)接口。與 PCI 不同，PCIe 采用 SERDES 接口為用戶提供未來(lái)應(yīng)用所需的可擴(kuò)展性。隨著系統(tǒng)帶寬的增加，越來(lái)越多的應(yīng)用正在轉(zhuǎn)向基于 SERDES 的接口，例如 PCIe。

過(guò)去，專用 IC （ASIC） 和專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品 （ASSP） 通常用于實(shí)施下一代接口解決方案。ASIC 和 ASSP 是流行的選擇，因?yàn)樗鼈兲峁┝说统杀?、低功耗的設(shè)計(jì)解決方案。

然而，幾個(gè)新的 FPGA 系列為 PCIe 接口提供了有吸引力的選擇。FPGA 提供了一個(gè)適應(yīng)性強(qiáng)的平臺(tái)，它沒(méi)有 ASSP 的不靈活性，也沒(méi)有 ASIC 通常相關(guān)的較長(zhǎng)的交付周期和大量的非經(jīng)常性工程成本。

具有嵌入式 SERDES 的新一代 FPGA 以低成本、低功耗的串行接口解決方案為設(shè)計(jì)人員提供了極其豐富、高價(jià)值的可編程架構(gòu)。相同的 FPGA 可用于支持各種串行協(xié)議，如 PCIe、GbE、SGMII、XAUI、Serial RapidIO 等，為多種設(shè)計(jì)提供單一 FPGA 平臺(tái)。

PCIe 也正在成為控制平面應(yīng)用程序的接口，取代舊的并行接口，如 PCI。新一代設(shè)備使用一個(gè)或多個(gè) PCIe 鏈路。在大多數(shù)設(shè)備中，PCIe 內(nèi)核被實(shí)現(xiàn)為 PCIe 端點(diǎn)。設(shè)計(jì)人員通常需要將這些設(shè)備連接到具有并行總線的上一代設(shè)備（例如具有并行總線接口的微處理器）。

使用低成本、低功耗 FPGA 在 PCIe 和并行接口之間進(jìn)行橋接可為設(shè)計(jì)人員提供解決此問(wèn)題的靈活性，而不會(huì)超出其系統(tǒng)成本和功率預(yù)算。

設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

隨著設(shè)計(jì)人員從 PCI 遷移到 PCIe，協(xié)議的復(fù)雜性以及基于 SERDES 的設(shè)計(jì)所涉及的復(fù)雜性構(gòu)成了重大挑戰(zhàn)。幸運(yùn)的是，F(xiàn)PGA 與全功能 PCIe IP 內(nèi)核、參考設(shè)計(jì)、硬件評(píng)估板和相關(guān)演示相結(jié)合，有助于消除 PCIe 設(shè)計(jì)人員面臨的陡峭學(xué)習(xí)曲線。

FPGA 是基于 PCIe 的應(yīng)用的理想平臺(tái)。因?yàn)樗鼈兪强删幊痰模?FPGA 使設(shè)計(jì)人員能夠靈活地在設(shè)計(jì)周期的后期解決設(shè)計(jì)問(wèn)題，并加快周轉(zhuǎn)時(shí)間。隨著個(gè)別設(shè)計(jì)要求的發(fā)展，設(shè)計(jì)人員可以輕松更改或添加功能。FPGA 設(shè)計(jì)還允許設(shè)計(jì)人員進(jìn)行更新以適應(yīng)規(guī)范的變化，使他們能夠在未來(lái)證明其設(shè)計(jì)不會(huì)過(guò)時(shí)。

可編程平臺(tái)使設(shè)計(jì)人員能夠使用相同的 FPGA 來(lái)實(shí)現(xiàn)連接到各種其他 PCIe 芯片組的接口解決方案：端點(diǎn)、根復(fù)合體或交換機(jī)。設(shè)計(jì)人員可以在FPGA中集成系統(tǒng)所需的其他功能，減少板上元件的數(shù)量，進(jìn)一步降低系統(tǒng)的總成本。

橋接接口

FPGA 為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了極其靈活的可編程平臺(tái)。包含 IP 內(nèi)核、硬件平臺(tái)、演示設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)程序和軟件的綜合解決方案包使設(shè)計(jì)人員能夠縮短開(kāi)發(fā)周期，同時(shí)降低設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

一個(gè)常見(jiàn)的設(shè)計(jì)要求是 PCIe 解決方案在 PCIe 串行接口（端點(diǎn)設(shè)備）和傳統(tǒng)并行總線接口之間進(jìn)行橋接，如圖 1 所示。具有 PCIe 根復(fù)雜 IP 內(nèi)核的 FPGA 為設(shè)計(jì)人員提供了實(shí)現(xiàn)所需的基本構(gòu)建塊這樣的解決方案?；蛘?，ASSP 和 ASIC 也可以實(shí)現(xiàn)此功能。然而，與 FPGA 不同，這些設(shè)備只能實(shí)現(xiàn)固定配置，無(wú)法更改以適應(yīng)各種可用的并行總線接口。

圖 1：具有 PCIe 根復(fù)雜 IP 內(nèi)核的 FPGA 在 PCIe 串行接口和傳統(tǒng)并行總線接口之間橋接。

另一方面，可編程 FPGA 平臺(tái)使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)ζ湓O(shè)計(jì)進(jìn)行特定更改，以實(shí)現(xiàn)與其特定板上可用接口相匹配的特定橋接功能。設(shè)計(jì)人員還可以靈活地在單個(gè) FPGA 中實(shí)現(xiàn)多個(gè)橋接或橋接的不同配置，從而減少板上的組件總數(shù)。FPGA 與 PCIe 根復(fù)雜 IP 核相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)所需的多種其他橋接解決方案。

PCIe 根復(fù)合體

PCIe 端點(diǎn)作為上游設(shè)備運(yùn)行，這是根復(fù)雜設(shè)備可以執(zhí)行的功能。然而，就所使用的 FPGA 門而言，一個(gè)全功能的根復(fù)雜實(shí)現(xiàn)是相當(dāng)昂貴的。相反，具有事務(wù)層功能子集的輕量級(jí)根復(fù)雜足以實(shí)現(xiàn)大多數(shù)橋接功能。

如圖 1 所示，這座橋由兩個(gè)基本組成部分組成。個(gè)塊是 PCIe 根復(fù)合體（或 Root Complex-lite）IP 內(nèi)核，它與 PCIe 端點(diǎn)設(shè)備接口。第二個(gè)塊是連接到本地總線/并行接口的橋接邏輯。由于此實(shí)現(xiàn)是在可編程 FPGA 中實(shí)現(xiàn)的，因此設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)特定接口需求靈活地定制設(shè)計(jì)。其他功能也可以集成到同一個(gè) FPGA 中，從而消除板上的其他組件并降低總體材料成本。

實(shí)現(xiàn)更輕量級(jí)的 IP

PCIe 是一個(gè)復(fù)雜的協(xié)議。提供功能齊全、經(jīng)過(guò)充分驗(yàn)證的 PCIe IP 內(nèi)核可顯著降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性。例如，萊迪思半導(dǎo)體的 PCIe Root Complex Lite （RC-lite） 內(nèi)核實(shí)現(xiàn)了 x1 或 x4 根復(fù)合功能，主要用于 PCIe 橋接應(yīng)用。如圖 2 所示，所有 PCIe 層均作為嵌入式 ASIC 塊和在 FPGA 中實(shí)現(xiàn)的 PCIe RC-lite 軟 IP 內(nèi)核的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。各種模塊包括電 SERDES 接口、物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和事務(wù)層，以支持實(shí)現(xiàn) PCI Express 根復(fù)雜功能所需的協(xié)議棧。這種較輕的 IP 針對(duì) PCIe 端點(diǎn)接口和并行本地總線接口之間的簡(jiǎn)單橋接應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。

圖 2：PCIe RC-lite IP 協(xié)議棧有助于降低 PCIe 橋接應(yīng)用的設(shè)計(jì)復(fù)雜性。

在 LatticeECP2M 或 LatticeECP3 FPGA 中實(shí)現(xiàn)的 PCIe RC-lite IP 可實(shí)現(xiàn)低成本、低功耗的 PCIe 橋接應(yīng)用，同時(shí)為設(shè)計(jì)人員提供定制橋接接口的靈活性。此外，PCIe 硬件評(píng)估板和各種參考設(shè)計(jì)、演示和軟件驅(qū)動(dòng)程序可幫助設(shè)計(jì)人員啟動(dòng)他們的 PCIe 設(shè)計(jì)并縮短上市時(shí)間。萊迪思還為設(shè)計(jì)人員提供了一個(gè)硬件評(píng)估板來(lái)測(cè)試 RC-lite IP 解決方案。設(shè)計(jì)人員可以在部署之前完成互操作性并驗(yàn)證這些解決方案的系統(tǒng)級(jí)功能，從而節(jié)省通常與設(shè)計(jì)后調(diào)試和性能增強(qiáng)相關(guān)的時(shí)間和成本。

簡(jiǎn)化橋接復(fù)雜性

PCIe 設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)計(jì)人員提出了重大挑戰(zhàn)。對(duì)接口的要求各不相同，具體取決于 PCIe 設(shè)備是否必須連接到另一個(gè)端點(diǎn)、根聯(lián)合體或交換機(jī)。此外，設(shè)計(jì)通常需要一個(gè) PCIe 端點(diǎn)設(shè)備和另一個(gè)具有并行總線接口的設(shè)備之間的連接。

設(shè)計(jì)人員可以在低成本、低功耗的 FPGA 平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)這些功能，同時(shí)保留靈活可編程架構(gòu)的所有優(yōu)勢(shì)。在 FPGA 中使用 PCIe 根復(fù)雜 IP 功能提供了實(shí)現(xiàn)這些橋接功能的理想平臺(tái)。