1. 前言

最近幾期，我們將通過專欄的方式向大家介紹一個更加常用的高速接口——PCIe接口。"Peripheral Component Interconnect Express"（PCIe或PCI-E）是一種串行擴展總線標準，計算機利用該接口可以擴展連接一個或多個外圍設備。

在本專欄中，我們將由淺入深地講述如何利用FPGA開發PCIe接口進行高速的數據傳輸。首先，我們將了解下PCIe協議的基本原理和工作機制；然后介紹FPGA開發PCIe接口時需要用到的IP核及使用方法；最后向大家介紹幾種在FPGA中實用的PCIe接口應用方法。歡迎大家持續關注本公眾號專欄。

2. 概述

PCIe協議是一種端對端的互連協議，提供了高速傳輸帶寬的解決方案。與傳統的并行總線標準如PCI和PCI-X相比，PCIe提供了更低的延遲和更高的數據傳輸速率。每個連接到主板上的設備都通過獨立的點對點連接與之相連，這避免了設備之間因為共享同一總線而競爭帶寬的情況。

目前市場上PCIe 4.0的設備已經很成熟了，并逐漸開始向PCIe 5.0協議的設備發展。

3.PCIe協議分類

PCIe的向下兼容性體現在以下幾個方面： PCIe具有向下兼容的特性，這意味著較新版本的PCIe插槽和設備可以與較舊版本的PCIe插槽和設備進行互操作。這種兼容性確保了新設備可以與舊設備一起使用，從而減少了升級和更換設備時的不便。

插槽兼容性： 較新版本的PCIe插槽通常可以容納較舊版本的PCIe卡。例如，一個PCIe x16插槽通常可以容納任何較小的PCIe卡，如PCIe x8、PCIe x4或PCIe x1。這意味著您可以將較舊的PCIe卡插入較新的插槽中，以實現互操作性。

帶寬適配： 如果您將一個使用較少通道的PCIe卡插入一個具有更多通道的PCIe插槽中，系統會自動適配帶寬。例如，將一個PCIe x1卡插入PCIe x16插槽中，系統會將該卡的帶寬限制為PCIe x1的速度。這確保了卡與插槽之間的通信不會出現不匹配問題。

協議兼容性： 即使新版本的PCIe協議引入了一些新功能和特性，但它們通常會保持與舊版本的兼容性。這意味著使用舊版本PCIe設備的系統不會因為新版本PCIe插槽而出現兼容性問題。

供電兼容性： PCIe插槽還需要向下兼容供電。較新的PCIe插槽可以為較舊版本的PCIe卡提供適當的電源。這確保了即使插槽能夠提供更高的電源能力，也不會損壞較舊的卡。

PCIe的向下兼容性使得用戶能夠在升級或更換設備時更加靈活，無需擔心新設備是否與舊設備兼容。這種特性有助于維持系統的穩定性和靈活性，同時節省了升級成本。

4. PCIe架構

PCIe協議是一種端對端的互連協議，一個典型的PCIe系統框圖如下：

與PCIe拓撲結構相關的其他術語如下：

• 根復合體（Root Complex）
• PCIe終端設備（PCIe Endpoint）
• PCIe橋接器（PCIe bridge）

Root Complex我們簡稱為根復合體。根復合體將CPU和內存子系統(Memory)連接到由一個或多個PCIe或PCI設備組成的PCI Express交換結構。它是PCI反向樹拓撲結構的“根”，代表CPU與其他設備進行通信。

PCIe endpoint就是PCIe的終端設備/PCIe終結點。PCIe終端設備可以直接與根設備進行連接，也可以通過Swith交換設備與根設備連接(交換設備類似于接口擴展功能)。

根據PCIe規范，在PCIe拓撲中可以有256個總線，每個總線上有32個設備，每個設備有8個功能。一個終節點最多可以支持8個功能，每個功能都有自己獨立的配置空間。

例如：基于PCIe的非易失性內存（NVM）和基于PCIe的固態硬盤（SSD）是計算機系統中的兩種終節點設備。

PCIe橋接器： 橋接器可以將PCI設備的請求轉換為PCIe x1規范的請求，并連接到計算機PCIe插槽上。工作流程如下：

• 主設備發送帶有必要參數的請求到PCIe橋接器。
• PCIe橋接器接收請求并進行協議轉換，將PCI請求轉換為適合PCIe接口的形式。
• 轉換后的請求在PCIe接口上發起點對點傳輸。
• 請求在接口通道上進行傳輸，通過PCIe總線連接到目標設備。

通過這種方式，PCI設備能夠利用PCIe插槽和接口連接到計算機系統，實現數據和控制的交換。

5. 總結

本文向大家初步介紹了下PCIe協議，如果覺得我們原創或引用的文章寫的還不錯，幫忙點贊和推薦吧，謝謝您的關注。