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      基于Cyclone IV GX系列的FPGA的PCIe接口設計詳解

      2018年10月30日 17:18 ? 次閱讀

      PCI Express(PCIe)是一種高性能互連協議,可應用于網絡適配、圖形加速、服務器、大數據傳輸、嵌入式系統等領域。PCIe協議在軟件層上可兼容于PCI和PCI—X,但同時也有明顯的不同。在兩個設備間,其是一種基于數據包、串行、點對點的互連,因此所連接設備獨享通道帶寬。根據使用的版本號和通道數,其性能具有可擴展性。對于PCIe 2.0,每條通道在每個方向上的數據傳輸速率是5.0 Gbit·s-1。從PCIe×1~PCIe×16,能滿足一定時間內出現的低速設備和高速設備的需求。

      Altera提供了兼容于PCIe 1.0和PCIe 2.0的解決方案,無論是作為根節點還是端點,都可以通過嵌入在FPGA內部的可配置硬核IP模塊實現,而不占用可編程資源,這既節省了資源也提高了應用的可靠性。Altera的IP編譯器可以提供×1,×2,×4,×8的通道接口。本文主要介紹采用Cyclone IV GX系列的FPGA來實現×4的PCIe接口所涉及的硬件電氣規范、協議規范等。

      1 PCIe總線體系和Cyclone IV GX

      1.1 PCIe總線體系概述

      PCI Express是一種基于數據包、串行、點到點的高性能互連總線協議。其定義了一種分層的體系結構,包括軟件層、處理層、數據鏈路層和物理層。其中軟件層是保持與PCI總線兼容的關鍵,PCIe采用與PCI和PCI—X相同的使用模型和讀寫通信模型。支持各種常見事物,如存儲器讀寫事物,IO讀寫事物和配置讀寫事物。而且由于地址空間模型沒有變化,所以現有的操作系統和驅動軟件無需進行修改即可在PCIe系統上運行。此外PCIe還支持一種稱為消息事物的新事物類型。這是由于PCIe協議在取消了許多邊帶信號的情況下,需要有替代的方法來通知主機系統對設備中斷,電源管理,熱插拔支持等進行服務。

      1.2 Altera Cyclone IV GX系列FPGA

      Cyclone IV GX FPGA采用Altera成熟的GX收發器技術,具有出眾的抖動性能和優異的信號完整性。利用靈活的收發器時鐘體系結構,可充分利用收發器所有可用資源,實現多種協議。Cyclone IV GX FPGA為根端口和端點配置的PCI Express×1、×2和×4提供唯一的硬核知識產權(IP)模塊。因此不用再接入其他專用的PCIe協議芯片,即可實現端到端的高速數據傳輸。

      Cyclone IV系列的FPGA還支持一系列外部存儲器,包括DDR2 SDRAM,DDR SDRAM,QDR SDRAM。Altera可提供速度最快、效率最高、最低延遲的存儲器控制器,使得FPGA可以接入現有的更高速的存儲器件。專用的DQS和DQ引腳在芯片級的布線上進行優化以減少抖動和增大余量上,且固定在芯片四周的特定位置。高速外部存儲器在眾多應用中是重要的系統組成部分,如視頻圖像處理,數據通信與存儲,以及DMA等。

      2 板級系統和部分走線阻抗

      2.1 板級系統

      基于Cyclone IV GX系列的FPGA的PCIe接口設計詳解

      充分利用FPGA左右兩側的存儲器接口,分別掛兩片Micron的DDR2 SDRAM顆粒,作為DMA緩存。FPGA的下側是高速收發器接口,共有4組GXB[3:0],分別經差分鏈路接入PCIe ×4金手指。其中GXB[3:2]是復用接口,通過改變T節點的耦合電容,可接入兩路高速ADC。FPGA上側接口包括USB PHY、千兆以太網PHY、串口、SD卡以及VGA接口等。FPGA有3個時鐘輸入,分別是:(1)來自PCIe接口的參考時鐘PCIE_REFCLK。(2)來自專用時鐘模塊的GXB_REFCLK。(3)來自25 MHz有源晶振的SYM_CLK。

      2.2 關鍵走線的阻抗控制

      圖2是PCB疊層結構示意圖,其中L1,L3,L6,L8是信號層;L2,L7是地層;L4,L5是電層。信號層分別參考臨近的地層或電源層。其中PCIe鏈路僅在L1和L8布線,基于以上疊層結構,確定PCIe接口的100 Ω差分阻抗走線的線寬和線間距分別為4 mil(1mil=0.0254 mm)和8.1 mil,差分線長容差在5 mil之內。

      基于Cyclone IV GX系列的FPGA的PCIe接口設計詳解

      DDR2 SDRAM的布線按照SSTL_18標準,DQ/DQS信號在L3和L6層,確定50 Ω單端走線線寬5.3 mil,等長控制在10 mil之內。時鐘走線是100 Ω差分阻抗,布線時放在頂層和L6層。在時鐘走線過孔附近打上接地過孔,作為信號回流路徑,以盡量減少阻抗不連續對信號完整性造成的影響。

      3 PCIe應用層設計方案及仿真

      3.1 PCIe IP核結構

      基于Cyclone IV GX系列的FPGA的PCIe接口設計詳解

      Altera的PCIe硬核IP包含處理層,鏈路層和物理層所要求的全部功能,以及大多數的可選功能。只需在IPCompiler中經過簡單的參數設置即可生成全功能的IP模塊,如果是作為端點設備,可以使用Avalon-ST接口或Avalon—MM接口適配器,將應用層映射為處理層的TLP。Avalon—ST適配層將應用層的Avalon—ST接口映射到PCIe處理層的TLPs。

      3.2 應用層設計

      圖4左側是應用層的方案圖,主要包含配置模塊、硬核IP模塊、時鐘管理模塊、DMA讀寫控制與仲裁模塊、任務驅動模塊等5部分。

      基于Cyclone IV GX系列的FPGA的PCIe接口設計詳解

      設計采用64位Agalon—ST接口,這樣供應用的層使用的時鐘pld_clk與內核時鐘同頻。TLPs分為Header、PayLoad和ECRC 3部分。其中TLP的數據包頭指出了數據包的類型,路由方式,有效載荷長度,目標地址,設備ID,功能ID,總線ID等內容,而數據包后還可生成與校驗有關的ECRC信息,這些特征均有助于增強傳輸過程中數據的完整性與可靠性。圖5是一個以4雙字長度為例的數據接收的時序圖,其中rx_st_data和tx_st_data表示64位寬度的讀寫數據端口,rx_st_sop和tx_st_sop表示數據包起始標志,rx_st_eop和tx_st_eop表示數據包結束標志。應用層可根據這些數據和標志位實現TLP接收與發送同步。

      基于Cyclone IV GX系列的FPGA的PCIe接口設計詳解

      設計中還包括鏈式DMA,用于FPGA外部存儲與系統存儲器的數據傳輸。通過DMA訪問外部存儲器的最大優勢在于,CPU配置完DMA狀態機后可繼續執行其他指令操作,然后DMA狀態機會通過請求PCIe總線中斷的方式來完成數據傳輸。在用DMA時需要設置兩個基址BAR2和BAR3最小為256 Byte。DMA主要分為讀操作、寫操作以及仲裁3部分。初始條件下,DMA處于復位狀態,通過讀取DMA信息標示符來判斷當前是否處于空閑狀態,并從FPGA內部讀取DMA控制信息,并相應的進入讀操作或寫操作。以CPU寫FPGA外部存儲器為例,CPU通過PCIe總線寫BAR0地址數據來配置并開啟DMA Engine。FPGA將發出對CPU的DMA讀請求,然后等待CPU發送DMA數據。此時DMA Engine處于WAIT_FOR_DATA狀態,等待來自PCIe接口的DMA數據包。同樣,CPU讀FPGA外部存儲器時,FPGA將發出對CPU的DMA寫請求,并當DMA完成讀操作后,等待PCIe接口發送DMA數據包,并由中斷標志位判斷是否開啟PCIe中斷。狀態轉移如圖6所示。

      基于Cyclone IV GX系列的FPGA的PCIe接口設計詳解

      在端點存儲器方面,2片16位的DDR2 SDRAM并接構成一個32位的FPGA片外存儲器,并根據DDR2SDRAM芯片手冊在Altmemphy向導中配置好相關時序與延遲參數,即可生成DDR2 SDRAM控制器。在做電路圖設計時,由于引腳驅動能力的問題,關鍵是FPGA對DDR2 SDRAM的引腳在連續的區域內不能超過一定數量,最好能約束引腳區域,全編譯一遍后由軟件自由分配,再由人工作適當調整,直到沒有嚴重警告。

      3.3 數據收發仿真測試

      當用PCIe IP Compiler創建一個PCIe的硬核IP時,會生成一個用戶可修改的測試文件頂層以及根聯合體模型。這樣就對測試應用層接口功能提供了一個簡單的途徑,只需在測試文件中做一個模塊例化,即可構建一個簡單的PCIe系統測試平臺。

      基于Cyclone IV GX系列的FPGA的PCIe接口設計詳解

      如上共15個寄存器,其中tl_cfg_add和tl_cfg_ctl分別表示要更新的寄存器地址和對應的寄存器數據,tl_cfg_sts是配置的狀態。利用tl_cfg_ctl_wr和tl_cfg_sts_wr的跳變邊沿,由此可知對應寄存器的內容已發生更新,以此來確定數據的安全采樣時機。

      基于Cyclone IV GX系列的FPGA的PCIe接口設計詳解

      如上信號tx_st_sop0的跳變啟動了一個TLP數據包的開始。應用層參考tx_stream_read0信號開始往數據端口寫入數據,其中前兩個數據是TLP的包頭。分解成雙字格式為:0x40000020,0x010800ff,0x000001880和0x00000000。即這是一個32位地址的寫存儲器TLP,數據長度為32雙字。當tx_stream_read0變為低電平2個周期后應停止寫入數據,直到tx_stream_read0再次變為高電平2個周期后可繼續寫入數據。

      基于Cyclone IV GX系列的FPGA的PCIe接口設計詳解

      如上信號rx_st_sop0出現高電平表明一個TLP數據包的開始。rx_st_data0的前兩個數據是TLP的數據包頭,分解為雙字后是:0x4a000020,0x00000080,0x01080270和0x000 00000。由這些包頭信息可知這是—個帶數據的完成TLP,完成者ID是0x0000,請求者ID是0x0108。且其后含有32個雙字的數據,第一個雙字是0xaaa00001,第二個雙字是0xaaa 0002,直到0xaaa0020。rx_st_eop0在最后一個數據0xaaa0020aaa001f出現時發生跳變,表明TLP數據包結束。

      4 結束語

      仿真結果表明,使用Altera Cyclone IV GX系列FPGA搭建的PCIe接口能夠方便地實現高速數據傳輸應用。隨著器件的發展和IP核的開發,多通道的PCIe總線技術將會迅速發展,并對大數據、高速數據提供安全可靠的傳輸管道。

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      可編程邏輯陣列(FPGA)由于其具有可編程、上市時間短、靈活性及高吞吐量等特性廣泛應用于數字信號處...

      發表于 2018-10-21 10:32 ? 133次閱讀
      基于FPGA器件的內塊存儲器資源功能驗證方法設計...

      FPGA如何讓視頻編碼與AI非常簡單的結合

      Aupera是一家專注于視頻數據應用的新一代系統解決方案的創業公司,Aupera資深AI工程師Nar...

      發表于 2018-10-20 10:30 ? 439次閱讀
      FPGA如何讓視頻編碼與AI非常簡單的結合

      CRC的計算過程 漢明距離如何計算呢

      第六章的內容在《移動通信》課程中也有涉及,穿插著學習能夠加深記憶。我花了好長時間的講解CRC的寄存器...

      發表于 2018-10-20 09:41 ? 310次閱讀
      CRC的計算過程 漢明距離如何計算呢

      NanoBoard 3000系列FPGA開發板助...

      FPGA正在成為電子產品設計的主流選擇。但對于完全沒有FPGA專業背景的設計工程師而言,在數天之內完...

      發表于 2018-10-20 09:14 ? 63次閱讀
      NanoBoard 3000系列FPGA開發板助...

      CNN高效升級,有一定的可編程性

      2018年7月18日,自適應和智能計算公司賽靈思(Xilinx, Inc.)宣布完成對專注于神經網絡...

      發表于 2018-10-20 09:13 ? 434次閱讀
      CNN高效升級,有一定的可編程性

      英特爾將至強CPU與FPGA加以結合,推出新一代...

      就在昨天,英特爾公司悄然發布了一項面向其芯片產品線的大規模升級方案:芯片巨頭將在近期推出一款將CPU...

      發表于 2018-10-19 16:39 ? 259次閱讀
      英特爾將至強CPU與FPGA加以結合,推出新一代...

      從FPGA到ACAP,賽靈思實現了跳躍性的發展

      讓時光倒退回到2015年,這一年2月份,FPGA龍頭企業賽靈思(Xilinx)發布了業界首款16nm...

      發表于 2018-10-19 16:31 ? 537次閱讀
      從FPGA到ACAP,賽靈思實現了跳躍性的發展

      FPGA內部可編程邏輯資源的結構,CLB資源介紹

      第二種Slice叫SLICEM,電路結構如下。除了LUTS與SLICEL的LUTS不同之外,其余結構...

      發表于 2018-10-18 17:04 ? 372次閱讀
      FPGA內部可編程邏輯資源的結構,CLB資源介紹

      賽靈思聯手華為推出首個使用FPGA的廣播質量級的...

      賽靈思公司(Xilinx)、華為和 NGCodec 今天宣布開發中國首款云端高效率視頻編碼 (HV...

      發表于 2018-10-18 16:55 ? 144次閱讀
      賽靈思聯手華為推出首個使用FPGA的廣播質量級的...

      Intel收購FPGA公司是為了微軟?

      去年Intel宣布斥資167億美元收購了全球第一大FPGA公司Altera,而且這家公司還是Inte...

      發表于 2018-10-18 16:50 ? 443次閱讀
      Intel收購FPGA公司是為了微軟?

      基于FPGA+DSP的高速中頻采樣信號處理平臺

      高速中頻采樣信號處理平臺在實際應用中有很大的前景,提出采用FPGA+DSP的處理結構,結合高性能A/...

      發表于 2018-10-18 16:36 ? 406次閱讀
      基于FPGA+DSP的高速中頻采樣信號處理平臺

      賽靈思CEO:FPGA迎來春天,汽車芯片市場需審...

      現在雖然伴隨著自動駕駛的發展,有了更多的機會,但行業內仍有傳統的汽車芯片巨頭,尊重基本的市場規律是應...

      發表于 2018-10-18 15:17 ? 592次閱讀
      賽靈思CEO:FPGA迎來春天,汽車芯片市場需審...

      華為公司與Xilinx在XDF上聯合發布FX系列...

      2018年10月16日, 中國北京 (賽靈思開發者論壇) –今日, 華為在賽靈思開發者論壇( XDF...

      發表于 2018-10-17 13:42 ? 379次閱讀
      華為公司與Xilinx在XDF上聯合發布FX系列...

      FPGA國產化之路將越走越順暢

      全球半導體市場格局已成三足鼎立之勢,ASIC (Application Specific Inte...

      發表于 2018-10-16 16:49 ? 593次閱讀
      FPGA國產化之路將越走越順暢

      一文教你如何破解MCU

      中央處理器CPU,包括運算器、控制器和寄存器組。是MCU內部的核心部件,由運算部件和控制部件兩大部分...

      發表于 2018-10-16 16:45 ? 174次閱讀
      一文教你如何破解MCU

      瘋狂收購后,FPGA業務的收入將變得十分困難

      英特爾在 2015 年底完成了對 Altera 的收購,到現在,后者在新東家管理下一年有余,是時候...

      發表于 2018-10-16 16:42 ? 347次閱讀
      瘋狂收購后,FPGA業務的收入將變得十分困難

      萊迪思拓展其超低功耗sensAI技術特性,推動消...

      靈活的毫瓦FPGA解決方案實現高精度CNN;全新人員偵測和手勢檢測參考設計,性能與功耗平衡更優。

      發表于 2018-10-16 12:56 ? 1683次閱讀
      萊迪思拓展其超低功耗sensAI技術特性,推動消...

      萊迪思半導體公司任命Esam Elashmawi...

      FPGA行業高管將領導萊迪思全球企業營銷和戰略部門以期實現快速盈利增長。

      發表于 2018-10-16 12:39 ? 1010次閱讀
      萊迪思半導體公司任命Esam Elashmawi...

      怎樣才能更好的學好FPGA技術?

      我們的理念:現代工程師要從系統層面掌握一個電子產品的構成 - 學習FPGA一定要了解FPGA這個器件...

      發表于 2018-10-16 10:23 ? 101次閱讀
      怎樣才能更好的學好FPGA技術?

      重磅!芯片熱潮下的前瞻思考

      現階段,中國半導體仍然是一個追隨者校色,許多量大面廣的產品都是跨國企業壟斷的,比如英特爾的處理器,三...

      發表于 2018-10-16 09:29 ? 2837次閱讀
      重磅!芯片熱潮下的前瞻思考

      以FPGA芯片為載體設計一個多功能信號發生器

      信號發生器又稱為波形發生器, 是一種常用的信號源,廣泛應用于電子電路、通信、控制和教學實驗等領域。

      發表于 2018-10-14 09:17 ? 366次閱讀
      以FPGA芯片為載體設計一個多功能信號發生器

      探討FPGA在醫療電子設備開發中的應用

      智慧醫療整合個人生理狀態感測與結合物聯網,是眾多IoT應用中的重點項目,因為醫療IoT應用市場的特殊...

      發表于 2018-10-14 09:13 ? 394次閱讀
      探討FPGA在醫療電子設備開發中的應用

      采用FPGA與高性能DSP芯片的雷達信號處理系統...

      現代雷達特別是機載雷達數字信號處理機的特點是輸入數據多,工作模式復雜,信息處理量大。因此,在一個實時...

      發表于 2018-10-14 08:27 ? 128次閱讀
      采用FPGA與高性能DSP芯片的雷達信號處理系統...

      為什么說Intel是為了好基友微軟收購FPGA公...

      去年Intel宣布斥資167億美元收購了全球第一大FPGA公司Altera,而且這家公司還是Inte...

      發表于 2018-10-13 10:50 ? 187次閱讀
      為什么說Intel是為了好基友微軟收購FPGA公...

      市場被壟斷,中小FPGA公司要怎么做才能站穩腳跟...

      相對于通用MCU和專用SoC,FPGA除了具有靈活的可編程性這一大優勢之外,還有兩個繞不開的劣勢,那...

      發表于 2018-10-13 10:45 ? 97次閱讀
      市場被壟斷,中小FPGA公司要怎么做才能站穩腳跟...

      通過對CORDIC算法的工作原理進行分析

      在式(1)中,如果讓旋轉的角度φ滿足條件:tanφ=±2-i,則式(1)中的乘法操作就可以轉換為移位...

      發表于 2018-10-12 11:16 ? 343次閱讀
      通過對CORDIC算法的工作原理進行分析

      FPGA深入醫療電子設備開發應用

      智慧醫療整合個人生理狀態感測與結合物聯網,是眾多IoT應用中的重點項目,因為醫療IoT應用市場的特殊...

      發表于 2018-10-11 16:58 ? 165次閱讀
      FPGA深入醫療電子設備開發應用

      TMP411 ±1°C Programmable...

      TMP411設備是一個帶有內置本地溫度傳感器的遠程溫度傳感器監視器。遠程溫度傳感器,二極管連接的晶體管通常是低成本,NPN或PNP型晶體管或二極管,是微控制器,微處理器或FPGA的組成部分。 遠程精度為±1 °C適用于多個設備制造商,無需校準。雙線串行接口接受SMBus寫字節,讀字節,發送字節和接收字節命令,以設置報警閾值和讀取溫度數據。 TMP411器件中包含的功能包括:串聯電阻取消,可編程非理想因子,可編程分辨率,可編程閾值限制,用戶定義的偏移寄存器,用于最大精度,最小和最大溫度監視器,寬遠程溫度測量范圍(高達150°C),二極管故障檢測和溫度警報功能。 TMP411器件采用VSSOP-8和SOIC-8封裝。 特性 ±1°C遠程二極管傳感器 ±1°C本地溫度傳感器 可編程非理想因素 串聯電阻取消 警報功能 系統校準的偏移寄存器 與ADT7461和ADM1032兼容的引腳和寄存器 可編程分辨率:9至12位 可編程閾值限...

      發表于 2018-09-19 16:35 ? 8次閱讀
      TMP411 ±1°C Programmable...

      TMP468 具有引腳可編程的總線地址的高精度遠...

      TMP468器件是一款使用雙線制SMBus或I 2 C兼容接口的多區域高精度低功耗溫度傳感器。除了本地溫度外,還可以同時監控多達八個連接遠程二極管的溫度區域。聚合系統中的溫度測量可通過縮小保護頻帶提升性能,并且可以降低電路板復雜程度。典型用例為監測服務器和電信設備等復雜系統中不同處理器(如MCU,GPU和FPGA)的溫度。該器件將諸如串聯電阻抵消,可編程非理想性因子,可編程偏移和可編程溫度限值等高級特性完美結合,提供了一套精度和抗擾度更高且穩健耐用的溫度監控解決方案。 八個遠程通道(以及本地通道)均可獨立編程,設定兩個在測量位置的相應溫度超出對應值時觸發的閾值。此外,還可通過可編程遲滯設置避免閾值持續切換。 TMP468器件可提供高測量精度(0.75°C)和測量分辨率(0.0 625°C)。該器件還支持低電壓軌(1.7V至3.6V)和通用雙線制接口,采用高空間利用率的小型封裝(3mm×3mm或1.6mm×1.6mm),可在計算系統中輕松集成。遠程結支持-55°C至+ 150°C的溫度范圍。 特性 8通道遠程二極管溫度傳感器精度:±0.75&...

      發表于 2018-09-18 16:05 ? 4次閱讀
      TMP468 具有引腳可編程的總線地址的高精度遠...
      上海快3开奖走势图
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