7 Series FPGAs Integrated Block for PCI Express IP核简介_xilinx pcie ip核

7 Series FPGAs Integrated Block for PCI Express IP核是Xilinx公司7系列FPGA中集成的PCI Express（PCIe）IP核模块，是一个可扩展的、高带宽的、可靠的串行互联构建块，用于与Xilinx的Zynq®-7000 SoC和7系列FPGA配合使用。它支持1-lane、2-lane、4-lane和8-lane的端点（Endpoint）和根端口（Root Port）配置，速度可达5 Gb/s（Gen2），所有配置都符合PCI Express Base Specification，rev. 2.1。

Xilinx的7系列FPGA中集成的PCI Express IP核模块为那些需要高速、可靠的数据传输的应用提供了强大的支持，同时保持了低开销和低延迟。它为用户提供了一个灵活的、可扩展的接口，并支持最新的PCI Express标准。

特征

（1）是高性能、高度灵活、可扩展和可靠的通用I/O核

        高性能：能够提供快速的数据传输和处理能力。

        高度灵活：可以适应不同的应用场景和配置需求。

        可扩展：系统可以根据需要增加更多的I/O通道或功能。

        可靠：在数据传输和处理过程中具有高度的稳定性和可靠性。

（2）采用Xilinx Smart-IP技术以保证关键时序

        Xilinx的Smart-IP技术是一种智能知识产权（IP）解决方案，它集成了经过验证的硬件设计和         软件工具，以确保设计的正确性和性能。在这里，它被用来保证PCIe I/O核心的关键时序要求         得到满足。

（3）使用GTXE2或GTPE2收发器（针对7系列FPGA）

        GTXE2和GTPE2是Xilinx为其7系列FPGA提供的高速串行收发器。

       2.5 GT/s和5.0 GT/s线速度：这些收发器支持高达2.5 GT/s和5.0 GT/s的线速度，提供了高速           数据传输的能力。

       支持1通道、2通道、4通道和8通道操作：可以根据需要配置为不同的通道数，以满足不同的           带宽和性能需求。

       弹性缓冲和时钟补偿：有助于在数据传输过程中处理时钟偏差和抖动，确保数据的完整性和           准确性。

       自动时钟数据恢复（CDR）：用于从接收到的数据中恢复时钟信号，从而提高数据传输的稳           定性。

  （4）支持Endpoint和Root Port配置

       PCIe系统中有两种主要类型的设备：Endpoint（端点）和Root Port（根端口）。该IP核可以           配置为这两种类型中的任何一种，以适应不同的系统架构和需求。

（5）8B/10B编码和解码

       8B/10B是一种线路编码方案，用于在高速串行通信中确保数据的直流平衡和同步。它通过将8        位数据转换为10位编码来减少由于连续0或1造成的位流偏差。

（6）支持PCIe规范要求的Lane Reversal和Lane Polarity Inversion

        Lane Reversal（通道反转）：在某些情况下，可能需要反转通道的数据传输方向。

        Lane Polarity Inversion（通道极性反转）：改变通道上数据的逻辑极性（例如，将1转换为             0，将0转换为1）。

（7）标准化的用户界面

       提供了统一的、标准化的用户界面，使得开发人员可以更容易地集成和使用该IP核。    

（8）符合PCI/PCI Express电源管理功能

       PCIe接口遵循PCI和PCI Express标准中的电源管理功能。这意味着它支持各种电源管理特             性，如节能状态（如L0s、L1等）、电源状态转换以及电源管理消息等。这些功能有助于优化        系统的能耗和性能。

（9）符合事务处理顺序规则

       PCIe接口遵循PCI Express标准中的事务处理顺序规则。这些规则确保了事务（如内存读写、         I/O请求等）按照正确的顺序执行，从而避免了数据冲突和不一致性。

（10）支持最大事务负载高达1024字节

（11）支持多向量MSI（Message-Signaled Interrupts）高达32个向量和MSI-X

       MSI是一种中断机制，它使用PCIe消息而不是传统的硬件中断线来通知CPU设备需要服务。          多 向量MSI允许设备为每个中断源分配一个独特的消息ID，从而允许CPU同时处理多个中断。

       MSI-X是MSI的扩展版本，它提供了更多的中断向量和更好的中断管理能力。MSI-X允许设备           为每个中断源分配一个独特的内存写入地址，从而减少了中断处理时的CPU开销。

（11）上配置（Up-configure）能力使应用驱动带宽可扩展性

       上配置（Up-configure）是一种PCIe功能，它允许在运行时动态地增加PCIe链路的带宽。这           意味着，如果系统需要更高的数据传输速率，可以通过重新配置PCIe链路来实现。这种能力           使得PCIe接口能够根据应用的需求动态地调整带宽，从而实现了应用驱动的带宽可扩展性。

概述

在Xilinx 7系列FPGA中，7 Series FPGAs Integrated Block是一个重要的组成部分，它允许FPGA设备与其他PCIe设备（如处理器、内存和其他扩展卡）进行高效的数据交换。通过支持不同的PCIe速度（包括2.5 Gb/s、5.0 Gb/s和8.0 Gb/s Gen3），这些FPGA可以满足广泛的应用需求，包括高性能计算、网络通信和数据中心等。

下表定义了PCIe®决方案的集成块。

7 Series FPGAs Integrated Block IP核内部实例化了7系列FPGA的PCI Express集成块（PCIE_2_1），通过实例化PCIE_2_1集成块来支持PCIe协议。这个集成块遵循PCI Express基础规范的分层模型，该模型包括物理层、数据链路层和事务层。按照PCIe基础规范的分层模型进行设计和实现，确保了与PCIe标准的兼容性和可靠性。

在Figure 2-1中描述的这些接口，与7系列FPGA的PCI Express（PCIe）硬核相关，包括系统（SYS）接口、PCI Express（PCI_EXP）接口、配置（CFG）接口、事务接口（AXI4-Stream）以及物理层控制和状态（PL）接口。下面是对这些接口的简要说明：

1. 系统（SYS）接口：允许FPGA与外部系统或处理器进行通信的接口。通过此接口，FPGA可以接收来自系统或处理器的命令和数据，也可以向系统或处理器发送数据。
2. PCI Express（PCI_EXP）接口：这是PCIe硬核的主要接口，用于实现PCIe的物理层、链路层和事务层。它允许FPGA与其他PCIe设备（如显卡、存储设备等）进行高速数据传输。
3. 配置（CFG）接口：此接口用于配置PCIe硬核的参数和设置。通过CFG接口，用户可以对PCIe硬核进行初始化、设置其工作模式和参数等。
4. 事务接口（AXI4-Stream）：AXI4-Stream是Xilinx FPGA中使用的一种高速数据流接口。在PCIe硬核中，它用于在FPGA的逻辑部分和PCIe硬核之间传输事务层数据包（TLP）。用户如果需要向PC发送数据，就需要在逻辑端组好MEM_WR事务包并发送到AXI4-Stream接口；同样，如果要从PC获取数据，就需要发送MEM_RD事务包，并从返回的COMPLETE事务包中提取数据。
5. 物理层控制和状态（PL）接口：此接口用于控制和监控PCIe硬核的物理层。通过PL接口，用户可以读取物理层的状态信息（如链路状态、错误计数等），也可以对物理层进行某些控制操作（如重置链路、配置参考时钟等）。

7 Series FPGAs Integrated Block IP核使用数据包（packets）在上述各个模块之间交换信息。这些数据包在事务层（Transaction Layer）和数据链路层（Data Link Layer）中形成，用于将信息从发送组件传输到接收组件。在传输数据包时，会添加必要的信息，以便在这些层中处理数据包。

在接收端，接收元素的每一层都会处理传入的数据包，剥离相关的信息，并将数据包转发到下一层。这个过程涉及到从物理层表示（Physical Layer representation）到数据链路层表示（Data Link Layer representation），再到事务层表示（Transaction Layer representation）的转换。

在接收端，数据包首先会到达物理层，然后逐层向上传输，每个层都会剥离掉自己添加的头信息，并将数据包转发给上一层。最终，数据包会到达事务层，这时数据包中的信息就可以被应用程序或设备驱动程序使用了。

通过这种分层处理的方式，PCIe协议能够高效地处理大量的数据传输请求，同时保持较低的错误率和较高的可靠性。

下面两张表显示在Vivado® Design Suite中实现PCI Express（PCIe）硬核时的资源信息。

IP核接口

7 Series FPGAs Integrated Block IP核包含顶层信号接口和发送接口。

顶层信号接口

（1）系统（SYS）接口

包括系统复位信号（sys_rst_n）和系统时钟信号（sys_clk），这些在Table 2-5中有描述。

系统复位信号（sys_rst_n）是一个低电平有效的信号，用于初始化或重置PCIe IP核。当这个信号被激活（即被拉低）时，PCIe IP核将回到其初始状态或重置状态。

在一些7系列设备中，可能并没有提供3.3V的I/O端口，因此当这些设备只包含1.8V的bank时，就需要进行适当的电平转换来操作。

系统复位信号（sys_rst_n），它是一个异步输入，低电平有效。用于初始化或重置PCIe IP核。当sys_rst_n被激活（即被拉低）时，它将导致整个PCIe IP核的硬复位，即PCIe IP核将回到其初始状态或重置状态。这个系统复位信号是一个3.3V的信号。

系统时钟信号（sys_clk）是用于PCIe IP核操作的时钟信号。这个时钟信号定义了PCIe IP核内部操作的时序和速率。PCIe IP核的所有功能，包括数据传输、控制和状态更新等，都将基于这个时钟信号进行操作。

系统输入时钟（sys_clk）的频率必须是100MHz、125MHz或250MHz中的一个，具体选择取决于在Vivado® IP目录中的时钟和参考信号设置。这些频率值是根据PCIe协议规范和PCIe核心的要求来确定的，以确保正确的数据传输和同步。

（2）PCI Express 接口

PCI Express（PCI_EXP）接口是一个高速串行计算机扩展总线标准，用于连接计算机的主板和其他设备，如显卡、网络接口卡、固态硬盘等。它使用差分信号传输技术，以提高数据传输的可靠性和速度。

PCI Express 接口由多个“通道”（lane）组成，每个通道包含一对差分发送信号（pci_exp_txp, pci_exp_txn）和一对差分接收信号（pci_exp_rxp, pci_exp_rxn）。

其中PCI Express 通道数为：

• 1-lane 核心：只支持 Lane 0。
• 2-lane 核心：支持 Lane 0 和 Lane 1。
• 4-lane 核心：支持 Lane 0 到 Lane 3。
• 8-lane 核心：支持 Lane 0 到 Lane 7。

通道数的增加可以提高数据传输的带宽，但也会增加硬件的复杂性和成本。

事务接口

（1）通用接口

（2）发送接口

s_axis_tx_tuser 总线包含了多个不相关的信号，这些信号用于在AXI-Stream接口的发送（Tx）路径上传递额外的用户定义信息。

例如：在(tsrc_dsc)s_axis_tx_tuser[3] 中，tsrc_dsc 是一个助记符，用于标识s_axis_tx_tuser总线的第4个信号（因为数组索引通常从0开始）是“Transmit Source Discontinue”信号。这里的括号可能是为了在文档中清晰地表明助记符与信号名的关联。

（3）接收接口

其中，m_axis_rx_tuser 总线包含了一组不相关的信号，这些信号在AXI-Stream接口的接收（Rx）路径上传递额外的用户定义信息。

（4）物理链路层接口

允许用户设计来检查链路（Link）和链路伙伴（Link Partner）的状态，并控制链路的状态。

（5）配置接口

允许用户设计检查PCIe配置空间的状态。具体来说，用户设计提供一个10位的配置地址，这个地址用于选择1024个配置空间双字（DWORD）寄存器中的一个。然后，PCIe端点通过32位数据输出端口返回所选寄存器的状态。

PCIe配置空间是一个重要的组成部分，它包含了PCIe设备的信息和配置选项。这个空间由一系列的寄存器组成，每个寄存器都存储了关于设备的一个特定方面的信息或设置。通过CFG接口，用户可以读取和修改这些寄存器，从而获取PCIe设备的状态信息或配置设备的行为。

（6）终端接口

（7）错误汇报接口

（8）动态配置接口

允许用户对对7 Series FPGAs Integrated Block IP核的FPGA配置存储器位进行动态更改。这些配置位以PCIE_2_1库原语的属性形式表示，这些原语是该IP核的一部分的实例化。

具体来说，DRP（Dynamic Reconfiguration Port）是一种用于外设配置和通信的接口技术，它可以通过FPGA内部的可编程逻辑实现，提供了一种快速、灵活地配置和通信外设的方式。DRP接口具有灵活性，可以在设计过程中根据需要动态地配置和重新配置外设，无需重新实现整个设计，这可以大幅度降低开发成本和时间，并提供更快的产品上市时间。

在7系列FPGA中，配置存储器不仅用于实现用户逻辑、连接和I/O，还用于其他目的，如指定功能块中的各种静态条件。有时，应用程序需要在功能块运行时更改这些条件，这可以通过使用DRP等接口进行部分重配置来实现。DRP接口还支持动态重配置功能，可以在无需停机或重启系统的情况下对外设进行热插拔或重新配置。

总的来说，DRP接口为FPGA的动态配置提供了强大的支持，使得FPGA的设计更加灵活和高效。

（9）内部端点接口

（10）内部配置访问端点接口