PCI Express串行解决方案在Virtex-5 LXT平台中的应用

最终用户需要更多具备多媒体功能的终端；从iPod视频或YouTube这样的博客站点就能看出这一趋势。当用户接收这类数据时，对于有效存储和更高的互联速度的要求变得十分关键。

Gbps是今天应用对带宽的要求，并且注意力也从处理速度转移到了高速互联上。多种的串行标准已经出台。支配这些标准的主要市场需求是：

·可升级的性能

·可扩展的功能集，以适应不同的产品型号（芯片到芯片、底板、电缆）

·适用于不同细分市场和应用的互联

·在主流的应用中实现低成本的串行解决方案

PCI Express（PCIe） 是一种主流的串行标准，它是2002年问世的第三代 I/O 互联技术，为从 PCI 到 PCIX（参见表1）提供了一条升级路径。PCIe 已成为PC 产业的标准互联技术，并且在其它应用中也有巨大的发展动力（图1）。它具有可升级能力、可扩展的功能集、很强的市场适应能力和低成本特性。

·PCIe的核心优势包括：

·高速串行标准能以每条通道2.5Gbps的线速进行双向通信

·基于分层数据包的架构，为模块化设计创造了条件

·通过更简单的升级就能实现带宽增强（高达80GB）——1、2、4、8、16和32条通道

·先进功能，比如可靠性、电源管理和热插拔

·借助虚拟通道、业务等级和服务质量（QoS）等特性支持下一代三维/多媒体业务

·全新外形和革新的设计方便使用，为设计满足不同细分市场需求的产品创造了条件

·软件投资保护，支持现有的PCI架构和基础设施

PCI规格总线宽度传输率通道宽度连接速率最大数据带宽

注：PCI Express 2.0规范“尚在开发之中”。

表1：PCI/PCI-X/PCIe 规格和带宽

图1：PCI Express 的发展态势

图2：Virtex-5 LXT FPGA中的 PCIe 端点模块

用户的欢迎、设计订单和用户的积极反馈，使我们更好地理解 PCI Express 在客户产品中固有的优势。为了能在今天创建解决明日问题的解决方案，并跟上时代迅速发展的步伐，Xilinx 公司在其 VirtexTM-5 LXT 器件中融入了硬 PCI Express 端点模块（图2）。

Xilinx 的PCIe 端点模块的显著优势包括：

完整的功能，完全符合 PCIe 基本规格 v1.1 版要求

—可配置的 PCIe 端点解决方案

通过PCI plug-fest的兼容性/通用性测试

（www.pcisig.com/developers/compliance_program/integrators_list/pcie）

支持1-、2-、4-或8-通道的实现

符合所有关键要求

—接面信号标准

—协议（CRC、自动重试）

—QoS

—热插拔

采用 Xilinx？ RocketIOTM GTP 收发器模块

—PCI Express 终端规格

—100MHz 直接参考时钟

节约资源

—内嵌于所有 Virtex-5 LXT 器件

—与 GTP 收发机相邻

简易设计

—缩短设计周期

—简化、直接的设计流程

低成本和低功耗

使用可配置的 block RAM 来进行数据包缓冲处理

—接收缓冲器

—发送缓冲器

—重试缓冲器

简单的事务处理层接口，便于集成

提供统计和监控数据

—信用状况、最大有效载荷、错误信号

两条虚拟通道用于QoS

—循环调度 （round robin）、加权循环调度 （weighted round robin）或严格优先级调度

图3：高性能 Virtex-5 LXT PCIe 解决方案节省了功耗和板卡空间

使用Virtex-5 LXT PCIe模块进行设计

PCI Express 的发展势头很旺，并被PC业界广泛接受。工程师在使用基于 Virtex-5 LXT FPGA 的 PCIe 端点进行设计时，也能够通过利用以下这些优势，来引导 PCI Express 在新市场上的增值能力：

更快的上市时间。现有的 ASSP 大多不能支持今天的 PCIe；FPGA 可把并行的专有协议接口和 PCIe 之间搭建一座桥梁。此外，PCI Express 标准的持续改变，在形成广泛市场基础前，阻止了 ASIC/ASSP 的发展。一个典型的案例是最近于2006年9月召开的英特尔开发者论坛上由英特尔和IBM共同发布的 “Geneseo” 架构以推动新应用的发展。Xilinx 公司也积极支持扩展 PCIe 构架的倡议。

更低的功耗和更小的占位面积。使用 Virtex-5 LXT 解决方案（图3）能达到更高性能同时缩小产品设计的体积。PCIe 端点模块能够让设计人员在选择更小器件的同时，仍能节省大量的功耗和成本。

专用协议和现有标准与 PCIe 之间的桥梁。传统产品的小型化（针对 PCI Express 而优化），需要在现有标准和 PCI Express 之间搭建一座桥梁。新型 Virtex-5 LXT 平台提供了实现这种转换所需的定制和逻辑资源，还提供了通往其它串行标准的桥梁。

？可升级的解决方案。PCI Express 协议已经成为主流，但协议本身和用户终端还处于迅速发展阶段。使用 Virtex-5 LXT PCIe 端点模块进行设计，使你能够将同一 Virtex-5 系列产品，从1条通道升级到4条通道，甚至8条通道。这就使你能够验证未来的系统和终端。此外，由于 PCIe 本身兼容 PCI和PCIX 构架，升级和设计基于 Virtex-5 LXT FPGA 的解决方案，不仅能够保护现有的软件投资，而且能够延长基础设施的使用寿命。

Xilinx PCI 的历史

Xilinx 公司一直走在 PCI/PCI-X/PCIe 技术的最前沿。

主要成就包括：

1996：业界第一款面向 FPGA 的 PCI 核心

1999：业界第一套64位 66MHz 的 PCI 解决方案

2000：业界第一套64位、133MHz 的 PCI-X 解决方案

2003：业界第一套 PCIe 解决方案

2005：业界第一套 PCIe PIPE 解决方案——Xilinx+NXP半导体

2006：业界第一套 FPGA Express 卡解决方案——Xilinx+NXP半导体

支持多种外观形状。Virtex-5 LXT RocketIO GTP 收发机与竞争性 FPGA/ASSP 解决方案相比，具有巨大的功耗优势。这使得设计人员考虑在面向新市场的产品中使用 Virtex-5 FPGA。借助面向不同解决方案的可扩充逻辑密度，设计人员可以充分发挥65纳米 FPGA 内在的优势，以支持不同的外观形状。例如，一张独立显卡的台式机解决方案，可把Virtex-5 LXT外形小型化来达到Express卡的要求。相反，设计人员也可把独立显卡的PCle解决方案中的Virtex-5外形改变以支持诸如ATCA、uTCA 和服务器I/O模块之类的高性能解决方案。

表2：Virtex-5 LXT PCIe 端点的应用

PCI ExpressFabric 拓扑

PCI ExpressFabricTM 拓扑，指这样一种体系，其中包含了ROOT COMPLEX（RC）、多个终端（I/O器件）、开关和PCI Express/PCI 桥路，它们通过 PCI Express 进行互联。

RC是I/O层次的根部，将CPU/存储器子系统与I/O相连。RC可以支持一个或多个PCI Express 端口，例如英特尔芯片组。

开关定义为多个虚拟 PCI 之间的桥路器件的逻辑组，它们使用一种基于地址路由的 PCI 桥路机制来传递执行信息，例如 IDT PCI Express 开关。

端点是指能作为 PCI Express 执行的请求者或完成者的那一类器件，可以是 PCI Express自身，也可以是一个非 PCI Express 器件，例如连接在 PCI Express 上的图形控制器。

图4：PCI Express 总线拓扑

图5：通信系统中的PCIe

图6：高端桌面/服务器系统中的PCIe

带有内置PCIe 端点模块的 Virtex-5 LXT FPGA，能够被用于任何一种外形的产品设计，如表2所示。

图5和图6显示了采用 Virtex-5 LXT PCIe 端点模块集中多源业务以及实现其他协议和 PCI Express 协议互通的各种应用的框图。

结论

内置 PCIe 端点模块和 RocketIO GTP 收发机的 Virtex-5 LXT 平台，是一种功能全备并且完全符合 PCI Express 总线协议的 PCIe 解决方案，具有极大的价值。现在，产品制造商不再需要购买知识产权许可证，同时可以得到更低的功耗和很少使用的逻辑资源。通过使用功耗只有软IP替代品50%的更小的 FPGA 器件，能够大幅度地降低成本。内置的硬模块可缩短设计时间，保障产品功能和易用性。

Virtex-5 LXT平台在一块高速、低功耗的65纳米 FPGA 上提供了独特的内置 PCIe 能力，开创了高效 PCIe 系统开发的新时代。

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