PCIe协议概述、分类及架构

1. 前言

最近几期，我们将通过专栏的方式向大家介绍一个更加常用的高速接口——PCIe接口。"Peripheral Component Interconnect Express"（PCIe或PCI-E）是一种串行扩展总线标准，计算机利用该接口可以扩展连接一个或多个外围设备。

在本专栏中，我们将由浅入深地讲述如何利用FPGA开发PCIe接口进行高速的数据传输。首先，我们将了解下PCIe协议的基本原理和工作机制；然后介绍FPGA开发PCIe接口时需要用到的IP核及使用方法；最后向大家介绍几种在FPGA中实用的PCIe接口应用方法。欢迎大家持续关注本公众号专栏。

2. 概述

PCIe协议是一种端对端的互连协议，提供了高速传输带宽的解决方案。与传统的并行总线标准如PCI和PCI-X相比，PCIe提供了更低的延迟和更高的数据传输速率。每个连接到主板上的设备都通过独立的点对点连接与之相连，这避免了设备之间因为共享同一总线而竞争带宽的情况。

目前市场上PCIe 4.0的设备已经很成熟了，并逐渐开始向PCIe 5.0协议的设备发展。

3.PCIe协议分类

PCIe的向下兼容性体现在以下几个方面： PCIe具有向下兼容的特性，这意味着较新版本的PCIe插槽和设备可以与较旧版本的PCIe插槽和设备进行互操作。这种兼容性确保了新设备可以与旧设备一起使用，从而减少了升级和更换设备时的不便。

插槽兼容性： 较新版本的PCIe插槽通常可以容纳较旧版本的PCIe卡。例如，一个PCIe x16插槽通常可以容纳任何较小的PCIe卡，如PCIe x8、PCIe x4或PCIe x1。这意味着您可以将较旧的PCIe卡插入较新的插槽中，以实现互操作性。

带宽适配： 如果您将一个使用较少通道的PCIe卡插入一个具有更多通道的PCIe插槽中，系统会自动适配带宽。例如，将一个PCIe x1卡插入PCIe x16插槽中，系统会将该卡的带宽限制为PCIe x1的速度。这确保了卡与插槽之间的通信不会出现不匹配问题。

协议兼容性： 即使新版本的PCIe协议引入了一些新功能和特性，但它们通常会保持与旧版本的兼容性。这意味着使用旧版本PCIe设备的系统不会因为新版本PCIe插槽而出现兼容性问题。

供电兼容性： PCIe插槽还需要向下兼容供电。较新的PCIe插槽可以为较旧版本的PCIe卡提供适当的电源。这确保了即使插槽能够提供更高的电源能力，也不会损坏较旧的卡。

PCIe的向下兼容性使得用户能够在升级或更换设备时更加灵活，无需担心新设备是否与旧设备兼容。这种特性有助于维持系统的稳定性和灵活性，同时节省了升级成本。

4. PCIe架构

PCIe协议是一种端对端的互连协议，一个典型的PCIe系统框图如下：

与PCIe拓扑结构相关的其他术语如下：

• 根复合体（Root Complex）
• PCIe终端设备（PCIe Endpoint）
• PCIe桥接器（PCIe bridge）

Root Complex我们简称为根复合体。根复合体将CPU和内存子系统(Memory)连接到由一个或多个PCIe或PCI设备组成的PCI Express交换结构。它是PCI反向树拓扑结构的“根”，代表CPU与其他设备进行通信。

PCIe endpoint就是PCIe的终端设备/PCIe终结点。PCIe终端设备可以直接与根设备进行连接，也可以通过Swith交换设备与根设备连接(交换设备类似于接口扩展功能)。

根据PCIe规范，在PCIe拓扑中可以有256个总线，每个总线上有32个设备，每个设备有8个功能。一个终节点最多可以支持8个功能，每个功能都有自己独立的配置空间。

例如：基于PCIe的非易失性内存（NVM）和基于PCIe的固态硬盘（SSD）是计算机系统中的两种终节点设备。

PCIe桥接器： 桥接器可以将PCI设备的请求转换为PCIe x1规范的请求，并连接到计算机PCIe插槽上。工作流程如下：

• 主设备发送带有必要参数的请求到PCIe桥接器。
• PCIe桥接器接收请求并进行协议转换，将PCI请求转换为适合PCIe接口的形式。
• 转换后的请求在PCIe接口上发起点对点传输。
• 请求在接口通道上进行传输，通过PCIe总线连接到目标设备。

通过这种方式，PCI设备能够利用PCIe插槽和接口连接到计算机系统，实现数据和控制的交换。

5. 总结

本文向大家初步介绍了下PCIe协议，如果觉得我们原创或引用的文章写的还不错，帮忙点赞和推荐吧，谢谢您的关注。