基于PCI Express总线的数据采集设备实现

摘 要：PCI Express是最新的总线和接口标准，具有数据传输速率高，支持点对点传输以及热插拔等特点。首先，介绍PCI Express总线的发展与体系构架。然后结合采用Xilinx公司的FPGA与PHY器件设计采集设备的过程，详细介绍硬件系统的电路设计，以及采用Xilinx Pipe Core实现PCI Express物理层、链路层、传输层和使用WinDriver开发简单的驱动程序。结合PCI Express总线设计的采集设备，整体性能可以显著提高，其必将取代以往各种总线的数据采集设备。

关键词：PCI Express；热插拔；PHY Pipe Core；WinDriver；驱动程序

中图分类号：TP336文献标识码：B文章编号：1004373X(2008)2011003

Realization of Data Acquisition Device Based on PCI Express Bus

WU Jianfei,WU Jia,XU Xin

(National University of Defense Technology,Changsha,410073,China)

Abstract：PCI Express is a new bus and interface standard.It supports high speed data transmission,point to point connection and hot plugging.This paper introduces the development and structure of PCI Express bus firstly.In the process of acquisition device design,the solution is chosen by using Xilinx FPGA and PHY chips,then the hardware system design is realized in details.Describing the physical layer,link layer and transaction layer of PCI Express in Xilinx Pipe Core.And then the simple driver program development is given by WinDriver.Data acquisition device based on PCI Express bus can develop the performance and replace the acquisition device based on other bus.

Keywords：PCI Express;hot plugging;PHY Pipe Core;WinDriver;driver program

1 引 言

随着计算机技术的发展，数据传输带宽的日益增长，总线技术也在迅速的发展。高速信号传输，海量数据采集与记录，实时视频图像处理以及其他数据处理的数据吞吐量现以kMb/s为量级。

未来计算机系统对带宽和扩展性的要求已经超越了第二代总线技术。第三代高性能I/O总线技术――PCI Express(PCIE)总线解决了以往总线的不足，它的发展将取代第二代总线成为新的数据总线，其提供了更加完善的性能、更多的功能、更强的可扩展性和更低的成本。

本文研究PCI Express总线技术的发展与构架，介绍采用Xilinx公司的FPGA与NXP公司的PHY器件实现一种经济简单的数据采集设备。在电路设计中，分析了总线信号高速布线的要求。

最后详细介绍数据采集设备的数据通道部分在Xilinx Pipe Core中的实现，并通过WinDriver

软件开发简单的驱动程序。

2 PCIE总线发展和构架介绍

2.1 PCIE总线的发展

PCI Express是用来互连诸如计算机和通信平台应用中设备的第三代I/O总线技术，第一代总线包括ISA，EISA，VESA和微通道(Micro Channel)总线，而第二代总线则包括了PCI，PCI-X和AGP。PCI Express是一种能够应用于一点设备、台式电脑、工作站、服务器、嵌入式计算机和通信平台等所有周边I/O设备互连的总线。

PCIE最初由Intel发展，并于1992年在市场。PCIE的体系结构继承了第二代总线体系结构最有用的特点，并且采用计算机体系结构中新的开发成果。它保留了原先的通讯模型和下载配置机制，但抛弃了共享总线的方式，采用点到点的总线连接方式。由于它提供了更高的性能特点和越来越大的带宽，从而解决了PCI，PCI-X和AGP的许多缺点，是以后PC发展必然采用的接口总线，其必将取代PCI,PCI-X以及图形加速器(AGP)。

2.2 PCIE 总线的构架

PCI Express 保持了与PCI寻址模式(加载-存储体系结构具有单层地址空间)的兼容性，从而保证了对现有应用程序和驱动的兼容性。同时，PCI Express的配置机制是与PCI一致的即插即用标准。

软件层发出读写请求，使用基于数据包、分段传输的协议通过物理层传输至I/O设备。链路层向这些数据包添加序列号和循环冗余校验(CRC)以建立一个高度可靠的数据传输机制。基本的物理层包括传输对和接收对两个单工通道，统称为一个信道。1个lane的信道可以保证每个方向约250 MB/s标准带宽，这其中大约200 MB/s用来传输数据，其余被文件的协议部分占用。这一速率为一般PCI设备的2~4倍，同时PCI Express总线点到点的总线连接结构可以让每个PCI Express设备都具有这个带宽。

3 基于FPGA与PHY器件的采集设备实现

3.1 采集通道器件和FPGA的选型及设计

采集设备包含2个采集通道，采用模/数转换芯片ADS5102设计。ADS5102是德州仪器的一款10 b-65 MSPS采样率并带内部电压参考的模/数转换器，采用1.8 V模拟供电。与同一类型的ADS5103相比，它的采样率更高，而且采用差分信号输入，有效地提高了输入信号的共模抑制比。

FPGA选用Xilinx公司Spartan-3系列XC3S1000。其采用90 nm材料生产，容量高、成本低，具有业界一流的区块和分布，具有多达784个I/O，MicroBlaze 32位RISC软处理器和支持乘法累加器(MAC)功能的嵌入XtremeDSP功能。

Xilinx Spartan-3 PCI Express设计包括一个PCI Express Pipe Endpoint LogiCore。 Xilinx低成本Spartan-3系列提供PCI Express协议层核。 PCIE Pipe Endpoint LogiCORE整合了分立的PCIE PHY，提供了全面的、完全符合PCI Express基础规范(PCI Express Base Specification)v1.1的PCIE端点解决方案。