菜鸟5小时速成FPGA_PCIE设计高手教程

FPGA_PCIE

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PCIe Solutions on Xilinx FPGAs 初学者指南

初学者指南初学者指南

初学者指南

V1.0

hanson@comtech.com.cn

PCIe on Xilinx 初学者指南 ............................................................................................................... 1

前言........................................................................................................................................... 1

步步为营 ................................................................................................................................... 3

一，PCIe 层次结构 .......................................................................................................... 3

事物协议 ........................................................................................................................... 3

头标 ................................................................................................................................... 4

BAR 空间 ........................................................................................................................... 6

中断 ................................................................................................................................... 7

二，器件选型 ................................................................................................................... 9

三，仿真环境搭建 ........................................................................................................... 9

四，调试 ......................................................................................................................... 14

五，驱动编写 ................................................................................................................. 15

六，总结 ......................................................................................................................... 16

进阶......................................................................................................................................... 22

DMA 模式 ....................................................................................................................... 22

DDR 缓冲......................................................................................................................... 23

经验、教训总结 ............................................................................................................. 24

前言

前言前言

前言

北京奥运会那年接手了一个项目，需要将远程的 80MBps 的数据量传输到服务器，同时

不能占用太多的处理器时间，因为服务器上同时运行着一套大型数据库软件。最后排除了

USB 方案、以太网方案，选用 Xilinx 的 PCIe 解决方案。经过漫长的摸索、学习过程，最后项

目做成功的做完了，各种指标参数也都达到了。再后来做 FAE，见识了更多的 PCIe 应用，也

有幸结识了更多的开发工程师。有的对 PCIe 的理解非常深入了，无论在性能和功能上都达

到相当的深度；有的也和我原来一样，刚开始学习理解 PCIe 的应用，看书、看文档，有时

候迷茫的找不到如何下手。对于前一种高手，这篇应用笔记可以略过了；对于后一种正在做

产品、项目的工程师，希望能对您有所帮助。

什么时候需要用到

什么时候需要用到什么时候需要用到

什么时候需要用到 PCIe？

？？

？

首先需要定位的是什么时候需要用到 PCIe 的问题。(PCIe 是什么这里就不做介绍了，不

然冗长的像写论文了。)

翻开电脑（台式机），主板上可以清晰的看到常用的接口，能和外面连接的插槽主要有：

USB、Ethernet、PCIe、PCI、SATA/PATA、Audio、VGA/DVI/HDMI，UART/并口。其中 Audio、

VGA/DVI/HDMI 制作专用数据输出，UART/并口的速率摆在那里，不适合高速数据传输，剩

下的接口最大吞吐率

最大吞吐率最大吞吐率

最大吞吐率如下：

接口最大速率

USB

USB2.0 480Mbps, USB3.0 5Gbps(USB2.0 速率的 10 倍)

Ethernet 1Gbps

PCIe

X8 Gen1 双向各 16Gbps，X8 Gen2 双向各 32Gbps

PCI

2.112Gbps@66Mhz*32 位

SATA/PATA

SATA II 3.0Gbps, SATA III 6.0Gbps

排除协议开销，OS 开销，平常使用中 USB 能达到的速度 USB2.0 一般在 30-40MB；Ethenet

如果用硬件实现较低层次的协议在 70-80MBps；PCI 有 64 位的，但是普通 PC 或服务器一般

是 32 位的，见过效率发挥的较好的能达到 120MB，但是 PCI 是共享总线的，如果总线有多

个设备开销，这个速度就难保证了；SATA/PATA 在 PC 中一般用于存储，用于自定义设备的

很少见。因此，如果数据量超过 100M，那 PCIe 最合适了。

速度是一方面考虑的原因，能否快速实现（有无成熟的设计方案），并且产品稳定、可

靠是另外一个需要考虑的原因。

USB 有 Cypress 的 USB2.0 芯片，然后将总线接到 FPGA 上。网上有很多 USB 芯片的程

序、驱动程序，甚至有公开的 GUI 程序，可以方便的完成 FPGA 到 PC 的通讯。

Ethernet 以太网也是比较成熟的接口。FPGA 外接 PHY 就可以和 PC 通讯了。以太网的

协议非常复杂，FPGA 如果内部运行 CPU 加以太网协议栈，那可以支持高层的以太网协议，

但是这样速度就打折扣了，并且 FPGA 的开发难度也增加很多。如果只实现 MAC 层数据收

发，难度相对简单一些。

开发难度

开发难度开发难度

开发难度：

PCI PCI 卡的方案也比较成熟了，既可以用 PLX 公司的桥片+FPGA 的方案，也可以直接

用 FPGA 接 PCI IP 核的方式。PCI 经过长时间的积累，已经有相当多的上层和底层设计、调试

软件，如果是购买的桥片，还有配套的开发工具简化设计流程。

SATA/PATA 通过 SATA/PATA 接口和 PC 进行数据通讯的方案比较少见，有 Intelliprop 一

些列的 SATA Device IP Core，同时提供一些底层的软件支持。

PCIe PCIe 的方案种类延续了 PCI 的多样性。1，完全采用 FPGA 方案。Xilinx 早在 10 年

前就把 PCIe 作为重要的支持方向，在高、中、低端 FPGA 内都集成有免费的 PCIe 硬核，同

时提供了数种源码（包括驱动、软件）开放的参考设计，还有丰富的文档。无论是学习、还

是产品设计，都能在众多的资料中找到相关的信息，减少设计、调试的时间(例如，Xilinx 的

PCIe 用户手册，xapp1052 DMA 参考设计，PIO 参考设计)。2，采用桥片方案，例如 PLX，IDT

等芯片，然后将转换的局部总线接入 FPGA。

研发产品需从多方面考虑，成本、可靠性、兼容性、性能等。单片 FPGA 方案越来越多

的应用在各种产品的研发中。如果确定需要使用 FPGA 的 PCIe 方案，而此时对这一流程比较

迷茫，那希望这篇指南能对您有所帮助。

步步为营

步步为营步步为营

步步为营

PCIe 相关知识

引用 Wiki http://zh.wikipedia.org/zh-cn/PCI-E，简单介绍 PCIe 的基本特性，其他不理解的

没关系，要么等一个流程下来自然而然明白了，要么…就不需要知道（Xilinx 封装好了）。

Wiki 上列出各版本 PCIe 的链路速度，通道数。说白了，链路速度高，单位时间内传输

的有效数据多；通道数多，同时传递的数据多。此外，还有很给力的一点就是兼容，板卡和

主板自适应的匹配到最大的链路速度和通道数。也就是说，如果这个板卡只支持 PCIe1.1 x8，

放在支持 PCIe2.0 x16 的槽上，那两端会是应在 PCIe1.1 x8 的速率上；如果有一天板卡升级了，

到 PCIe2.0 x8，那主板会适应成 PCIe2.0 x8 上，并且 PC 上的驱动和软件都不用变化。

接下来有点晦涩了，但是建议耐着性子看完吧。

一，PCIe 层次结构

PCIe 规范对于设备的设计采用分层的结构，有事务层、数据链路层和物理层组成，各层有都

分为发送和接收两功能块。

在设备的发送部分，首先根据来自设备核和应用程序的信息，在事务层形成事务层包（TLP），

储存在发送缓冲器里，等待推向下层；在数据链路层，在 TLP 包上再串接一些附加信息，这

些信息是对方接收 TLP 包时进行错误检查要用到的；在物理层，对 TLP 包进行编码，占用链

路中的可用通道，从查封发送器发送出去。

事务层包（TLP），数据链路层包（DLLP），物理层（PLP）产生于各自所在层，最后通过电或

光等介质和另一方通讯。这其中数据链路层包（DLLP），物理层（PLP）的包平常不需要关心，

在 IP 核中封装好了。在 FPGA 上做 PCIe 的功能，变成完成事务层包

完成事务层包完成事务层包

完成事务层包（

（（

（TLP）

））

）的处理

的处理的处理

的处理。

事物协议

上面提高过，用 FPGA 实现需要的 PCIe 功能，简单的说是在完成 TLP 的处理。TLP 有三部分

组成，帧头、数据、摘要（或者称 ECRC）。TLP 头标长 3 或者 4 个 DW，格式和内容随事物

类型变化；数据端为 TLP 帧头定义下的数据段，如果该 TLP 不携带数据，那该段为空。Digest

段（Optional）是基于头标、数据字段计算出来的 CRC，成为 ECRC，一般 Digest 段有 IP 核填

充。所以，PCIe 的处理在用户层表现为处理 TLP 中头标和数据段。

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