PCI Express 的市场、趋势和应用

PCI Express 的市场、趋势和应用
Virtex-5 LXT 器件中内置的 PCI Express 解决方案能够显著降低功耗和面积。

作者：Navneet Rao
Xilinx 公司横向平台解决方案技术市场经理
最终用户需要更多具备多媒体功能的终端；从iPod视频或YouTube这样的博客站点就能看出这一趋势。

当用户接收这类数据时，对于有效存储和更高的互联速度的要求变得十分关键。

Gbps是今天应用对带宽的要求，并且注意力也从处理速度转移到了高速互联上。

多种的串行标准已经出台。

支配这些标准的主要市场需求是：
·可升级的性能
·可扩展的功能集，以适应不同的产品型号（芯片到芯片、底板、电缆）
·适用于不同细分市场和应用的互联
·在主流的应用中实现低成本的串行解决方案
PCI Express（PCIe）是一种主流的串行标准，它是2002年问世的第三代 I/O 互联技术，为从 PCI 到 PCIX（参见表1）提供了一条升级路径。

PCIe 已成为PC 产业的标准互联技术，并且在其它应用中也有巨大的发展动力（图1）。

它具有可升级能力、可扩展的功能集、很强的市场适应能力和低成本特性。

PCIe的核心优势包括：
·高速串行标准能以每条通道2.5Gbps的线速进行双向通信
·基于分层数据包的架构，为模块化设计创造了条件
·通过更简单的升级就能实现带宽增强（高达80GB）——1、2、4、8、16和32条通道·先进功能，比如可靠性、电源管理和热插拔
·借助虚拟通道、业务等级和服务质量（QoS）等特性支持下一代三维/多媒体业务
·全新外形和革新的设计方便使用，为设计满足不同细分市场需求的产品创造了条件
·软件投资保护，支持现有的PCI架构和基础设施
PCI规格总线宽度传输率通道宽度连接速率最大数据带
宽
z注：PCI Express 2.0规范“尚在开发之中”。

表1：PCI/PCI-X/PCIe 规格和带宽
图1：PCI Express 的发展态势
图2：Virtex-5 LXT FPGA中的 PCIe 端点模块
用户的欢迎、设计订单和用户的积极反馈，使我们更好地理解 PCI Express 在客户产品中固有的优势。

为了能在今天创建解决明日问题的解决方案，并跟上时代迅速发展的步伐，Xilinx 公司在其 Virtex TM-5 LXT 器件中融入了硬 PCI Express 端点模块（图2）。

Xilinx 的PCIe 端点模块的显著优势包括：
z完整的功能，完全符合 PCIe 基本规格 v1.1 版要求
— 可配置的 PCIe 端点解决方案
z通过PCI plug-fest的兼容性/通用性测试
（/developers/compliance_program/integrators_list/pcie）
z支持1-、2-、4-或8-通道的实现
z符合所有关键要求
— 接面信号标准
— 协议（CRC、自动重试）
— QoS
— 热插拔
z采用 Xilinx® RocketIO TM GTP 收发器模块
— PCI Express 终端规格
— 100MHz 直接参考时钟
z节约资源
— 内嵌于所有 Virtex-5 LXT 器件
— 与 GTP 收发机相邻
z简易设计
— 缩短设计周期
— 简化、直接的设计流程
z低成本和低功耗
z使用可配置的 block RAM 来进行数据包缓冲处理
— 接收缓冲器
— 发送缓冲器
— 重试缓冲器
z简单的事务处理层接口，便于集成
z提供统计和监控数据
— 信用状况、最大有效载荷、错误信号
z两条虚拟通道用于QoS
— 循环调度 (round robin)、加权循环调度(weighted round robin)或严格优先级调度
图3：高性能Virtex-5 LXT PCIe 解决方案节省了功耗和板卡空间
使用Virtex-5 LXT PCIe模块进行设计
PCI Express 的发展势头很旺，并被PC业界广泛接受。

工程师在使用基于 Virtex-5 LXT FPGA 的 PCIe 端点进行设计时，也能够通过利用以下这些优势，来引导 PCI Express 在新市场上的增值能力：
z更快的上市时间。

现有的 ASSP 大多不能支持今天的 PCIe；FPGA 可把并行的专有协议接口和 PCIe 之间搭建一座桥梁。

此外，PCI Express 标准的持续改变，在形成广泛市场基础前，阻止了 ASIC/ASSP 的发展。

一个典型的案例是最近于2006年9月召开的英特尔开发者论坛上由英特尔和IBM共同发布的 “Geneseo” 架构以推动新应用的发展。

Xilinx 公司也积极支持扩展 PCIe 构架的倡议。

z更低的功耗和更小的占位面积。

使用 Virtex-5 LXT 解决方案（图3）能达到更高性能同时缩小产品设计的体积。

PCIe 端点模块能够让设计人员在选择更小器件的同时，仍能节省大量的功耗和成本。

z专用协议和现有标准与 PCIe 之间的桥梁。

传统产品的小型化（针对 PCI Express 而优化），需要在现有标准和 PCI Express 之间搭建一座桥梁。

新型 Virtex-5 LXT 平台提供了实现这种转换所需的定制和逻辑资源，还提供了通往其它串行标准的桥梁。

z·可升级的解决方案。

PCI Express 协议已经成为主流，但协议本身和用户终端还处于迅速发展阶段。

使用Virtex-5 LXT PCIe 端点模块进行设计，使你能够将同一 Virtex-5 系列产品，从1条通道升级到4条通道，甚至8条通道。

这就使你能够验证未来的系统和终端。

此外，由于 PCIe 本身兼容 PCI和PCIX 构架，升级和设计基于 Virtex-5 LXT FPGA 的解决方案，不仅能够保护现有的软件投资，而且能够延长基础设施的使用寿命。

Xilinx PCI 的历史
Xilinx 公司一直走在 PCI/PCI-X/PCIe 技术的最前沿。

主要成就包括：
1996：业界第一款面向 FPGA 的 PCI 核心
1999：业界第一套64位 66MHz 的 PCI 解决方案
2000：业界第一套64位、133MHz 的 PCI-X 解决方案
2003：业界第一套 PCIe 解决方案
2005：业界第一套 PCIe PIPE 解决方案——Xilinx+NXP半导体
2006：业界第一套 FPGA Express 卡解决方案——Xilinx+NXP半导体
z支持多种外观形状。

Virtex-5 LXT RocketIO GTP 收发机与竞争性 FPGA/ASSP 解决方案相比，具有巨大的功耗优势。

这使得设计人员考虑在面向新市场的产品中使用
Virtex-5 FPGA。

借助面向不同解决方案的可扩充逻辑密度，设计人员可以充分发挥65纳米 FPGA 内在的优势，以支持不同的外观形状。

例如，一张独立显卡的台式机解决方案，可把Virtex-5 LXT外形小型化来达到Express卡的要求。

相反，设计人员也可把独立显卡的PCle解决方案中的Virtex-5外形改变以支持诸如ATCA、uTCA 和服务器I/O 模块之类的高性能解决方案。

应用外形连接宽度（典型）数据带宽需要的主要特性
企业 HBA、服务器I/O
模块高可靠性
升级能力
错误恢复
占用较小的电路板空间
较低的功率预算
桌面独立显卡支持现有的
（PCI）软件
占用较小的电路
板空间
较低的功率预算
适应现有的生态
系统
高可用性
移动 Express卡、Mini
卡较低的功率预算高可靠性
功耗管理能力
通信 HBA、ATCA、
服务器I/O模块高可用性高性能互通性可靠性
嵌入式平台集成端点、定制
卡、Mini卡低成本
可靠性
高可用性
易用性和集成化
表2：Virtex-5 LXT PCIe 端点的应用
PCI ExpressFabric 拓扑
PCI ExpressFabric TM拓扑，指这样一种体系，其中包含了ROOT COMPLEX（RC）、多个终端（I/O器件）、开关和PCI Express/PCI 桥路，它们通过 PCI Express 进行互联。

RC是I/O层次的根部，将CPU/存储器子系统与I/O相连。

RC可以支持一个或多个PCI Express 端口，例如英特尔芯片组。

开关定义为多个虚拟 PCI 之间的桥路器件的逻辑组，它们使用一种基于地址路由的 PCI 桥路机制来传递执行信息，例如 IDT PCI Express 开关。

端点是指能作为 PCI Express 执行的请求者或完成者的那一类器件，可以是 PCI Express 自身，也可以是一个非 PCI Express 器件，例如连接在 PCI Express 上的图形控制器。

图4：PCI Express 总线拓扑
图5：通信系统中的PCIe
图6：高端桌面/服务器系统中的PCIe
带有内置PCIe 端点模块的Virtex-5 LXT FPGA，能够被用于任何一种外形的产品设计，如表2所示。

图5和图6显示了采用Virtex-5 LXT PCIe 端点模块集中多源业务以及实现其他协议和 PCI Express 协议互通的各种应用的框图。

结论
内置 PCIe 端点模块和 RocketIO GTP 收发机的 Virtex-5 LXT 平台，是一种功能全备并且完全符合 PCI Express 总线协议的 PCIe 解决方案，具有极大的价值。

现在，产品制造商不再需要购买知识产权许可证，同时可以得到更低的功耗和很少使用的逻辑资源。

通过使用功耗只有软IP替代品50%的更小的 FPGA 器件，能够大幅度地降低成本。

内置的硬模块可缩短设计时间，保障产品功能和易用性。

Virtex-5 LXT 平台在一块高速、低功耗的65纳米 FPGA 上提供了独特的内置 PCIe 能力，
开创了高效 PCIe 系统开发的新时代。