问题

怎么开发PCIE电路?

回答
好的,咱们来聊聊怎么“鼓捣”PCIe电路,别嫌我啰嗦,这玩意儿学问深着呢!

首先,得明确咱们说的“开发”是哪个层面。你是想设计一个全新的PCIe主控芯片,还是设计一块PCIe扩展卡,又或者是实现一个PCIe的IP核?这决定了咱们的起点和要掌握的东西。

一、 PCIe的世界观:这是个啥?

PCIe(Peripheral Component Interconnect Express),你可以理解为电脑里各个组件之间沟通的“高速公路”。它的核心优势就是“快”和“灵活”。

串行通信: 它不像PCI那么老古董,是用一条条“车道”(Lane)并行传输,而是把数据打包,变成一列列“小车”,通过一条条“快车道”(Link)高速行驶。
点对点连接: 每个设备都直接连接到根复合体(Root Complex),相当于直接走高速路,不像以前要经过桥梁(Bridge)。
分层架构: PCIe有物理层、数据链路层、事务层,就像一套完整的通信协议,从物理信号到数据传输的逻辑,都有规矩。
可配置性: 设备可以根据自己的需求,选择使用几条“车道”,比如x1(一条车道)、x4、x8,甚至x16,就像高速公路有不同宽度的车道一样。

二、 从需求出发:你想干啥?

在动手之前,脑子里得有个谱。

1. 你的角色是什么?
CPU/芯片厂商: 你要设计一个PCIe控制器(Host Controller或Device Controller),这涉及到复杂的数字逻辑设计、物理层接口、时序约束、验证等等,技术难度最高。
FPGA/ASIC工程师: 你要在FPGA或者ASIC上实现一个PCIe设备,比如一块网卡、一块GPU、一块存储控制器。这时候你可能需要购买现成的PCIe IP核,然后围绕它进行系统集成和逻辑开发。
PCB工程师/系统集成商: 你要设计一张PCIe扩展卡,或者将PCIe设备集成到某个系统中。这时候你需要关注PCB布局、信号完整性、电源、合规性测试等等。

2. 你想做什么样的PCIe设备?
Host设备(主控): 像CPU那样,管理和控制其他PCIe设备。
End Point设备(终端设备): 比如网卡、显卡、SSD控制器等等,它们是PCIe总线上的“用户”。
Switch设备: 就像PCIe的“路由器”,可以将一个PCIe端口扩展成多个。

三、 技术栈:你需要了解些啥?

不管你是哪个角色,都绕不开下面这些“硬骨头”:

1. PCIe Spec(规范): 这是你的“圣经”。PCIe规范非常庞大,有好几百页,涉及物理层、数据链路层、事务层、配置空间、Power Management、Interrupts 等等。至少需要熟悉核心的部分,比如:
事务层(Transaction Layer): 数据包格式(TLP)、地址空间、读写操作、DMA。
数据链路层(Data Link Layer): 帧格式(DLLP)、CRC校验、ACK/NAK握手、流控制。
物理层(Physical Layer): 信号编码(8b/10b 或 128b/130b)、串行器/解串器(SerDes)、时钟恢复、眼图。
配置空间: 设备如何被发现和配置。

2. 硬件描述语言(HDL): Verilog或者VHDL是你的“画笔”,用来描述电路逻辑。

3. EDA工具:
综合工具: 将HDL代码转换为门级网表(如Synopsys DC, Cadence Genus)。
布局布线工具: 将网表转换成实际的版图(用于ASIC)或者实现到FPGA(如Xilinx Vivado, Intel Quartus)。
仿真工具: ModelSim, VCS, NCSim 等,用来验证你的设计是否正确。
静态时序分析(STA)工具: PrimeTime, Vivado Timing Analyzer 等,确保你的设计在时钟频率下能稳定工作。

4. FPGA/ASIC设计流程:
IP核选型: 如果你不是CPU厂商,大部分情况下会使用FPGA厂商提供的PCIe IP核(如Xilinx的XDMA, RocketIO, Alveo系列;Intel的PCIe Gen4/5 Soft IP)。
IP核配置: 根据你的需求配置IP核的参数,比如PCIe版本(Gen1, Gen2, Gen3, Gen4, Gen5)、Lane数量、设备类型等。
接口衔接: 将IP核的AXI Stream、AXI Master/Slave接口与你自己的逻辑连接起来。
时钟和复位: PCIe对时钟和复位信号非常敏感,需要仔细处理。

5. PCB设计与信号完整性:
差分信号: PCIe传输的是差分信号,PCB走线需要成对出现,保持阻抗匹配。
阻抗控制: 关键信号线(PCIe差分对)的阻抗需要精确控制(通常是100欧姆差分)。
回流路径: 确保差分信号有完整的回流路径,避免信号失真。
串扰(Crosstalk): 避免敏感信号线之间靠得太近。
端接: 在PCIe接口的发送和接收端,通常需要添加合适的端接电阻。
连接器: 选择符合PCIe规范的连接器,并正确焊接。
叠层规划: PCB的叠层设计对信号完整性至关重要,需要合理规划。

6. 功耗和散热: 特别是高速PCIe,功耗会很大,需要考虑电源管理和散热设计。

7. 合规性测试: PCIe设备需要通过PCISIG(PCI Special Interest Group)的合规性测试,才能保证它能在不同的PCIe生态系统中正常工作。这涉及到眼图测试、时序测试、协议测试等。

四、 开发步骤(以FPGA实现一个PCIe设备为例):

1. 明确需求:
我要做一个什么功能的PCIe设备?(例如:一个读取SSD数据的控制器)
需要支持PCIe的哪个版本和Lane数量?(例如:PCIe Gen3 x4)
数据吞吐量要求多大?
是主机端还是终端设备?(例如:终端设备)

2. 选择FPGA和IP核:
根据性能要求和功耗考虑,选择合适的FPGA系列和型号。
选择FPGA厂商提供的PCIe IP核,比如Xilinx的PCIe Gen3 x4 IP。

3. 配置PCIe IP核:
打开FPGA厂商提供的IP配置工具,设置PCIe版本、Lane数量、设备ID、Vendor ID等。
配置Master/Slave接口、中断、DMA等功能。

4. 进行HDL设计(你的逻辑):
数据通路设计: 实现你的设备核心功能,比如数据缓存、处理、搬移。
AXI接口衔接: 将你的数据通路连接到PCIe IP核提供的AXI Stream或AXI Master/Slave接口上。
AXI Stream: 用于高吞吐量的数据流传输。
AXI Master: 用于访问PCIe的内存空间,例如执行DMA传输。
AXI Slave: 用于PCIe Host通过配置空间访问你的设备寄存器。
中断处理: 如果你的设备需要产生中断,需要按照PCIe规范设计中断处理逻辑。
状态机设计: 控制整个设备的工作流程。

5. 时钟和复位:
PCIe IP核通常会提供一个参考时钟(RefClk),这是PCIe通信的基准。
需要从RefClk生成工作时钟(通常通过MMCM/PLL),用于你的逻辑。
需要处理好PCIe IP核的复位信号,并将其与你的逻辑复位同步。

6. 约束文件编写:
I/O约束: 映射PCIe的差分信号对和参考时钟到FPGA的物理引脚上。
时序约束: 确保你的设计满足PCIe IP核的时钟要求,并对关键路径进行时序优化。
物理约束: (在一些高级设计中)用于指导布局布线。

7. 仿真验证:
功能仿真: 使用Testbench验证你的HDL逻辑功能是否正确,包括数据读写、DMA传输、中断等。
PCIe协议仿真: 如果条件允许,可以使用PCIe协议验证IP核,并确保你的逻辑与协议兼容。
时序仿真: 在综合和实现之后,使用带有延时的网表进行仿真,验证时序。

8. 综合与实现:
使用EDA工具对HDL代码进行综合,生成门级网表。
进行布局布线,将网表映射到FPGA资源上。
进行静态时序分析(STA),检查时序是否满足要求。如果不满足,需要回到HDL代码或约束文件进行优化。

9. 生成比特流并下载到FPGA:
将实现后的设计生成FPGA配置文件(比特流)。
通过JTAG或其他接口将比特流下载到FPGA开发板上。

10. 硬件调试:
逻辑分析仪: 使用FPGA内部的逻辑分析仪(如Xilinx ILA, Intel SignalTap)来观察内部信号,检查数据传输和状态。
眼图测试: 使用示波器和眼图分析仪对PCIe差分信号进行眼图测试,检查信号质量。
协议分析仪: 如果有PCIe协议分析仪,可以用来监测PCIe总线上的数据包,帮助定位问题。
主机端测试: 将你的FPGA开发板连接到PC上,使用PC上的工具(如lspci命令、设备管理器、自定义测试软件)来测试你的设备是否被正确识别和工作。

11. (可选)PCB设计:
如果你要设计一个独立的PCIe扩展卡,就需要进行PCB设计。
画出原理图,将FPGA、PCIe连接器、电源电路、时钟电路等连接起来。
进行PCB布局布线,严格按照PCIe的信号完整性要求进行。
送去PCB厂商制板。

12. (进阶)合规性测试:
如果你需要将你的PCIe设备商业化,就需要送去PCISIG指定的实验室进行合规性测试。

五、 经验之谈与注意事项:

从简单开始: 如果是新手,建议先从PCIe Gen1/Gen2 x1的IP核入手,先熟悉基本流程,再逐步挑战更高速率和更多Lane。
充分利用IP核: 除非你是CPU公司,否则不要想着从头开始写PCIe物理层。IP核是最好的选择,它们经过了高度优化和验证。
信号完整性是关键: PCIe是高速串行接口,对信号质量要求非常高。PCB设计和走线直接决定了你的设备能否正常工作。多读一些关于高速PCB设计的资料。
时序是生命线: 严格遵守PCIe规范的时序要求,并利用STA工具进行充分的分析和优化。
多做仿真: 仿真可以帮助你在早期发现问题,避免在硬件上浪费大量时间和精力。
善用调试工具: FPGA的内部逻辑分析仪是你的好帮手,可以让你看到“看不见”的内部信号。
参考设计: FPGA厂商通常会提供一些PCIe的参考设计,可以从中学习和借鉴。
社区和文档: 充分利用FPGA厂商的技术文档、论坛和社区资源。

开发PCIe电路是一个系统工程,需要软硬件协同,涉及到多个领域的知识。但只要掌握了基本原理,一步一步来,还是可以实现的。祝你成功!

网友意见

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谢邀,PCI Express 是一个数据接口行业标准,显卡可以用,其他扩展卡也可以用。有一个组织负责维护PCI Express的发布。

BTW,开发PCI E是个巨大的工程,从底层的物理层链路到顶层的协议实现,通常需要一整个团队合作完成。

p.s. 显卡的事情不是很清楚。

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