NVMe高速传输却不用XDMA设计之1

NVMe IP放弃XDMA原因

选用XDMA做NVMe IP的关键传输模块，可以加速IP的设计，但是XDMA对于开发者来说，还是不方便，原因是它就象一个黑匣子，调试也非一番周折，尤其是后面PCIe4.0升级。因此决定直接采用PCIe设计，虽然要费一番周折，但是目前看，还是值得的，uvm验证也更清晰。

PCIe 加速模块设计

PCIe 加速模块负责处理PCIe事务层，并将其与NVMe功能和AXI接口直接绑定。如图1所示，PCIe加速模块按照请求发起方分为请求模块和应答模块。请求模块负责将内部请求事务转换为配置管理接口信号或axis请求方请求接口信号(axis_rq)，以及解析 axis 请求方完成接口信号(axis_rc);应答模块负责接收axis完成方请求接口信号(axis_cq)，将请求内容转换为AXI4接口信号或其它内部信号做进一步处理，同时将应答事务通过axis完成方完成接口axis_cc)发送给PCIE集成块.

图1 PCIe加速模块结构和连接关系图

PCIe 加速模块不仅承担了TLP与其它接口信号的转换功能，也是降低传输延迟增加吞吐量的核心部件。接下来分别对请求模块和应答模块的结构设计进行具体分析。

PCIe 请求模块设计

请求模块的具体任务是将系统的请求转换成为axis接口形式的TLP或配置管理接口信号。这些请求主要包含初始化配置请求和门铃写请求。初始化配置请求由初始化模块发起，当配置请求的总线号为0时，请求通过Cfg_mgmt接口发送给PCIE集成块;当配置请求的总线号不为0时，请求以PCIe配置请求TLP的格式从axis_rq接口发送到PCIE集成块，然后由硬核驱动数据链路层和物理层通过PCIe接口发送给下游设备，下游设备的反馈通过axis_rc接口以Cpl或CplD的形式传回。门铃写请求由NVMe控制模块发起，请求以PCIe存储器写请求TLP的格式从axis_rq接口交由PCIE集成块发送。

由于发起请求的模块存在多个，并且在时间顺序上初始化模块先占用请求，NVMe控制模块后占用请求，不会出现请求的竞争，因此设置一条内部请求总线用于发起请求和接收响应，该请求总线也作为请求模块的上游接口。请求模块的请求总线接口说明如表1所示。无论是配置请求还是门铃写请求，请求的数据长度都只有一个双字，因此设置读写数据位宽均为32比特。

表1 请求总线接口

在接收到请求总线接口的请求事务后，当请求类型的值为0时，表示通过PCIE集成块的配置管理接口发送请求，由于请求接口的接口和时序与配置管理接口基本一致，因此此时直接将请求接口信号驱动到配置管理接口完成请求的发送，请求读数据和响应也通过选通器连接到配置管理接口。当请求类型值不为0时，则需要将请求转换为TLP以axis接口形式发送，这一过程通过请求状态机实现，请求状态机的状态转移图如图2所示。

图2 PCIe请求状态转移图

各状态说明如下：

IDLE：空闲状态，复位后的初始状态。当请求写有效或请求读有效，且请求类型值不为0时，如果请求写有效跳转到WR_HEAD状态，如果请求读有效或读写同时有效跳转到RD_HEAD状态，否则保持IDLE状态。实际的上层设计中读写请求不会同时发生，这里的状态跳转条件增加了读优先设计，从而避免异常情况的出现。

WR_HEAD：请求写TLP头发送状态。该状态下根据请求类型、请求地址组装写请求的TLP报文头部，并将报文头部通过axis_rq接口发送。当axis_rq接口握手时跳转到WR_DATA状态。

WR_DATA：请求写TLP数据发送状态。该状态下将请求写的数据通过axis_rq接口发送，当axis_rq接口握手时跳转到DONE状态。

RD_HEAD：请求读TLP头发送状态。该状态下组装读请求TLP报头通过axis_rq接口发送，当接口握手时跳转到RD_DATA状态。

RD_DATA：请求读CplD接收状态。该状态下监测axis_rc接口信号，当出现数据传输有效时，启动握手并接受数据，然后跳转到DONE状态。

DONE：请求完成状态。该状态下使能req_ack请求响应信号，如果是读请求同时将RD_DATA状态下接收的数据发送到req_rdata请求读数据接口。一个时钟周期后回到IDLE状态。