基于PCIE/104总线的高速数据接口设计

　　PCIE总线是由Intel公司提出用来取代现行PCI总线的下一代总线技术，被公认为未来总线的发展方向，目前已经成功应用在了商业机上。相对于目前流行的PCI总线，它具有如下特点：

　　采用了串行点对点模式，数据总线从并行走回向串行无疑是一个趋势，如现在流行的SATA总线、PCIE总线和rapidIO总线都是串行总线。现在串行总线在速度上的优势可以说是毋庸置疑的。PCIE总线在每个方向上都有X1，X2，X4，X8，X16或X32个信号对，用户可根据不同的需求采用不同的配置。同时串行信号还具有管教更少，便于调试的优点。

　　PCIE采用了基于数据包的协议来编码事物，而不是PCI体系结构的总线周期。数据包被串行发送和接受，并被字节拆分来通过物理链路。链路上实现的通道越多，数据包发送的数据越快，链路的带宽也越宽。同时PCIE还定义了各种类型的数据包，如存储器读/写请求、I/O读/写请求、配置读/写请求、消息请求和完成数据包等。

　　PC/104标准是一种嵌入式的总线标准，具有功耗低，尺寸小，堆栈式结构的特点。随着目前各种应用数据传输量的增大，现行的PCI总线在带宽方面已经略显疲态，而新近瑞士逻辑提出的PC/104 Express标准，使得PCIE总线技术被成功地应用在了PC/104标准的板卡上。本文采用了PLX公司的PEX8311桥接芯片，完成了PCIE到局部总线接口的转换，应用PLX公司提供的开发工具在Linux操作系统下实现了板卡的驱动应用。在软硬件两方面进行了设计，完成了PCIE/104板卡的功能，升级了系统的总线。

　　1 PCIE/104高速信号接口卡的系统

　　PCIE/104高速信号接口卡的系统设计方案如图1所示。

　　外部传感器采集到的数据通过LVDS，RS 422等电平方式，以固定的不同串口波特率传到FPGA内部集成的各自对应的双口RAM中。当写入了固定字节后，设定标志位stage为1，同时发出中断信号LINT#给PEX8311。PEX8311产生了assert_INT1信息，并通过PCIE接口发给上位机。上位机保存好现在的任务后，通过PCIE开始发出存储器读命令给PEX8311。PEX8311获得命令后，向FPGA发出本地总线申请信号，FPGA作为本地端的控制器将本地总线控制权交给PEX8311。PEX8311开始读数据，首先要进行的是读取标志位，在读取了标志位后，上位机就知道是哪几路串口信号需要读入。然后，把标志位清掉，这样相当于清掉了中断信号。接着，中断服务程序在进入到各个串口的RAM中，来读取相应的数据。在多路串口信号传输过来时，针对该系统，采用的是优先满足高速串口的原则，也就是采用高速串口的标志位作为中断信号，每次产生中断后查询其他标志位。数据到上位机后待处理。该系统目前实现的是两路串口，而多路串口原理相同。

　　1.1 硬件总体概述

　　主要包括以下几部分，PEX8311桥接芯片负责完成本地总线和PCIE总线的相互装换;FPGA选用了spartan-3an 1400K。这里在内部实现了3个模块，首先完成双口RAM模块;其次完成了多路串口数据的接受与协调模块;最后还要实现PEX8311芯片本地端控制器模块。

　　1.1.1 PEX8311芯片介绍

　　PEX8311是PLX Technology公司推出的一款专用于将DSP，FPGA等处理器总线接口升级为PCIE的桥接器件。利用PEX8311灵活的局部总线可以方便地连接多种存储器、缓存器及。FPGA，DSP等逻辑芯片，使复杂的PCI-E接口设计简单化。PEX8311兼容PCI Express 1.0标准，其本地总线和寄存器与PCI9056兼容，能够提供完整的本地总线到PCI-E的接口，包括地址转换、包生成与解码、信号中断支持及并/串转换等。

　　PEX8311的特点如下：

　　(1)集成了单通道、全双工2.5 Gb/s传输的PCI Express端口;

　　(2)可配置局部总线宽度，支持8位、16位和32位的总线方式;

　　(3)支持单路和多路总线操作模式;

　　(4)高性能的DMA数据传输，支持数据块模式、集散模式、循环队列管理模式和命令模式;

　　(5)支持端点和根复合体模式;

　　(6)芯片小型封装，适合紧凑的电路板设计;

　　(7)芯片低功耗设计;

　　(8)3.3 V的I/O并兼容5 V系统;

　　(9)启动配置的串行E2PROM支持(SPI和Microwire接口);

　　(10)有8 KB的通配共享RAM。

　　PEX8311的内部结构如图2所示。