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[系统运维]Virtex6PCIe超简版基础概念学习(二)

  2016-04-01 16:57:22

文档版本 开发工具 测试平台 工程名字 日期 作者 备注
V1.0 ise14.7 DBF板 Day4/PCIETest 2016.03.31 lutianfei none
  • 参考资料:
    • Spartan 6 PCIE_V2.4 真教程(一)
    • Spartan 6 PCIE_V2.4 真教程(二)
    • 菜鸟5小时速成FPGA_PCIE设计高手教程.pdf
    • ug671_V6_IntBlock_PCIe.pdf
    • PCI+EXPRESS体系结构导读.pdf

一、PIO模式


  • PIO模式是一种通过CPU执行I/O端口指令来进行数据的读写的数据交换模式。是最早先的硬盘数据传输模式,数据传输速率低下,CPU占有率也很高,大量传输数据时会因为占用过多的CPU资源而导致系统停顿,无法进行其它的操作。数据传输速率从3.3MB/s到16.6MB/s不等。传输速率低下和极高的CPU占有率。

  • PIO模式在No_16_0328 Virtex6 PCIe2.5(一) 仿真学习.md中已经测试过,这里不再赘述。不同的地方在于仿真使用的是v2.5版本ip核,而DMA参考xapp1052方案设计,顾改为1.7版ip核,既不再使用AXI总线设计。


二、PCIe核接口定义

(一) 系统接口

  • sys_reset_n : 输入,异步复位,时间至少大于1500ns
  • sys_clk:输入,可选频率为100Mhz,125Mhz,250Mhz

(二) 事物接口

2.1 通用事物接口
  • trn_clk : 输出, 传输、配置、物理层控制、状态接口操作都与此时钟同步。
  • trn_reset_n : 输出,用户逻辑与传输和配置接口交互时使用此复位恢复到初始状态;与trn_clk同步,与sys_reset_n步。
  • trn_lnk_up_n : 输出,当核与连接对象已连接且准备好交换数据时有效。
  • trn_fc_* : 输出,各种流控制信号
  • trn_fc_sel[2:0] : 输入:选择流控制信息呈现在哪个trn_fc_*上。
2.2 发送事物接口
  • trn_tsof_n : 输入,发送帧开始表示,仅在trn_tsrc_rdy_n信号为时,有效。
  • trn_teof_n : 输入,发送帧结束标志,仅在trn_tsrc_rdy_n信号为时,有效。
  • trn_td : 输入,发送数据接口
  • trn_trem_n : 输入,发送数据余数。仅在trn_teof_ntrn_tsrc_rdy_ntrn_tdst_rdy_n同时为低时有效。
    • 0表示数据在trn_td[63:0]
    • 1表示数据在trn_td[63:32]
  • trn_tsrc_rdy_n : 输入,发送源(用户)准备就绪;用户已将有效数据放入trn_td
  • trn_tdst_rdy_n : 输出,发送目的(核)准备就绪;表示已经准备好接收在trn_td上的数据。当其与trn_tsrc_rdy_n同时有效时表示数据已成功传至trn_td



  • 发送TLP工作流程:

      • trn_tdst_rdy_n拉低
    • 用户
      • trn_tsrc_rdy_ntrn_tsof_n拉低,并与trn_td第一个数据前沿对齐。
      • trn_tsof_n在下个时钟周期即可拉高。
      • 传输结束时,将trn_tsrc_rdy_n,trn_teof_n同时拉低,且与trn_td最后一个数据沿对齐。(trn_trem_n视情况而定)
      • trn_tsrc_rdy_n,trn_teof_n制信号在下个trn_clk同时拉高。




2.3 接收事物接口

  • trn_rsof_n : 输出,接收帧开始标志,仅在trn_rsrc_rdy_n时有效。

  • trn_reof_n : 输出,接收帧结束标志,仅在trn_rsrc_rdy_n时有效。

  • trn_rd : 输出,接收到的数据,仅在trn_rsrc_rdy_n时有效。

  • trn_rrem_n: 输出,接收数据余数。仅在trn_reof_ntrn_rsrc_rdy_ntrn_rdst_rdy_n同时为低时有效。
    • 0表示数据在trn_rd[63:0]
    • 1表示数据在trn_rd[63:32]

  • trn_rerrfwd_n : 输出,表示收到错误数据。

  • trn_rsrc_rdy_n: 输出,表示接收源(核)准备就绪。表示,核将数据传至trn_rd

  • trn_rdst_rdy_n : 输入,表示接收目的(用户)准备就绪。表示,用户准备好接收来自trn_rd的数据。

  • trn_rsrc_dsc_n : 输出,表示核将当前包丢掉。

  • trn_rnp_ok_n : 输入,表示用户准备好接收一个Non-Posted TLP包。

  • trn_rbar_hit_n[6:0] : 输出,表示当前包在哪个BAR空间,在trn_rsof_ntrn_reof_n有效
    • trn_rbar_hit_n[0]: BAR0
    • trn_rbar_hit_n[1]: BAR1
    • trn_rbar_hit_n[2]: BAR2
    • trn_rbar_hit_n[3]: BAR3
    • trn_rbar_hit_n[4]: BAR4
    • trn_rbar_hit_n[5]: BAR5
    • trn_rbar_hit_n[6]: Expansion ROM Addres



  • 接收TLP工作流程:
    • 用户
      • trn_rdst_rdy_n

      • trn_rsof_ntrn_rsrc_rdy_n拉低,并与trn_rd第一个数据前沿对齐。
      • trn_rsof_n拉高,并继续输出数据
      • trn_rsrc_rdy_ntrn_reof_n拉低,并与trn_rd最后一行数据前沿对齐。(trn_rrem_n视情况而定)
      • 在下一个时钟,将trn_rsrc_rdy_ntrn_reof_n拉高。



2.4 中断事物接口

  • cfg_interrupt_n : 输入,中断请求信号,用户将此信号拉低,来告诉PCIe核所选择的中断信息。此信号必须保持到cfg_interrupt_rdy_n后。

  • cfg_interrupt_rdy_n : 输出,中断确认信号,当此信号与cfg_interrupt_n信号同时为时表示PCIe核成功传输了中断信息。

  • cfg_interrupt_assert_n : 输入,传统中断置有效无效选择。
    • 1表示有效
    • 0表示无效

  • cfg_interrupt_di[7:0] : 输入,对于传统中断,只支持INTA,所以时钟填00h


  • 板卡发送中断过程说明:



  • 用户
    • cfg_interrupt_ncfg_interrupt_assert_n,请求中断。cfg_interrupt_di[7:0]始终置为00h

    • cfg_interrupt_rdy_n
  • 用户
    • 下一个时钟周期,将cfg_interrupt_n置为无效。
  • :将中断产生消息发送出去。(保证PCI Command寄存器的Interrupt Disable位置0)
  • 用户:中断请求被接受时
    • cfg_interrupt_assert_n置无效,同时将cfg_interrupt_n

    • cfg_interrupt_rdy_n拉低置有效,表示接受中断取消信号。
  • 用户
    • 在下一个时钟,将cfg_interrupt_n拉高。

    • 发送中断取消消息


    • 板卡接收中断说明:

      • 中断置位TLP:0x3400_0000_0100_0020, 0x0000_0000_0000_0000
        • Fmt 为 2’b01,Type 为 5’b10100,是消息请求
        • Message Code:8‘b0010_0000中断( INTx)消息
        • assert_inta 拉高表示收到中断INTA#。

  • 中断撤销TLP:0x3400_0000_0100_0024, 0x0000_0000_0000_0000,
    • Fmt 为 2’b01, Type 为 5’b10100,是消息请求,
    • Message Code 为 8’b0010_0100,是中断( INTx)撤销消息
    • received_deassert_inta 为 1,收到 INTA#中断撤销消息


  • 三 、PCIe DMA模式

    • PCI设备与存储器直接进行数据交换的过程被称为DMA。

    (一) 数据从FPGA搬移到PC

    • 1 . PC申请物理地址连续的一段内存空间。
    • 2 . FPGA准备好发送数据后向PC发送中断,通知PC读取这些数据。
    • 3 . PC接收并分析该中断,向BAR0空间内寄存器,写如下命令:物理地址的起始地址空间大小,并且 启动DMA
    • 4 . FPGA 内的 DMA 引擎接收到启动** DMA 的命令后,主动将数据组织成**MWr包发送到 PC。DMA 引擎会自动填充 TPL 包逐一增加的地址等信息,直到达到用户设定的长度。在此过程完成后,FPGA向主机发送一个中断
    • 5 . PC 接收到中断后,然后读取 BAR0 空间状态寄存器判断中断类型,然后做相应的判断。将这段物理地址的数据拷贝到用户程序能够访问的空间中,然后回到步骤 2

    (二) 数据从 PC 搬移到FPGA的过程

    • 1 . PC 申请物理地址连续的一段内存空间。
    • 2 . FPGA 准备好接收数据后向* PC* 发送中断,通知 PC 发送数据。
    • 3 . PC 接收并分析该中断,写 BAR0 空间内寄存器,包含上述物理地址的起始地址空间大小,然后启动 DMA
    • 4 . FPGA 内的 DMA 引擎接收到启动 DMA 的命令后,主动组织Mrd包发送到 PCDMA 引擎会自动填充 TPL 包逐一增加的地址等信息,直到达到用户设定的长度。PC 收到读请求,会自动将上述物理空间的数据组织成* Completion TLPs* 回送给 FPGAFPGA 接收分析后按顺序存放在相应的缓冲内。在此过程完成后,FPGA 向主机发送一个中断
    • 5 . PC 接收到中断后,然后读取 BAR0 空间状态寄存器判断是中断类型,然后做相应的判断。将这段用户程序中新的数据拷贝到物理空间中,然后回到步骤 2

    (三) DMA控制逻辑




    • TX_Engine 用于组织和传输转发事务非转发事务完成事务的数据包。在这个设计中,TX_Engine 可以产生存储器写转发的请求(MWr) 、非转发的读请求(MRd)带数据的完成(CplD) 。产生的数据发送到 TRN 接口。

    • RX_Engine 用于从 TRN 接口中接收数据,并根据事务的种类,将对应的数据放在 Ingress FIFO 中或控制和状态寄存器中。RX Engine 也通过 Read Request Wrapper 通知TX Engine 还未发送的请求。RX Engine 支持完成事务存储器读事务存储器写事务

    • DMA Control and Status Wrapper 该模块是和 CPU 通讯的主要模块,也是 DMA 控制的主要模块,包含内部状态控制模块Internal Control BlockDMA 控制/状态寄存器 DMA Control/Status Register 内部状态解析 CPU 的命令,并作出相应的执行。DMA 控制/状态寄存器被映射到 PCI 的地址空间中,同时也和其他的用户逻辑相连接。CPU 通过读写这些寄存器达到控制其他逻辑的运行。

    • Egress Data Presenter 此模块提供外部不同来源不同位宽的数据到 TX Engine 的通道。

    • Read Request Wrapper 用于 TX EngineRX Engine通讯TX Engine尚未发送非转发事务信息发送给 RX Engine。这个信息存储在 32 位位宽的双端口 RAM 中。

    • Egress/Ingress FIFO 和其他数据来源连接。接口为 Xilinx 标准 FIFO接口,可方便的集成用户自定义的外设。

    四 XAPP1052 DMA设计

    (一) FPGA –> PC 数据传输具体实现

    • 1、复位Initiator
      • PC向BARO空间 DCR1(0x0)地址,写0x1值,表示对PCIe 初始化复位。

    • 2、清除Initiator的复位
      • PC向BARO空间 DCR1(0x0)地址,写0x0值,表示清除对PCIe 初始化复位。

    • 3、填写DMA寄存器相关信息,在此之前需要PC先申请一块物理地址连续的缓冲区。
      • DMA目的起始地址PC向BARO空间 WDMATLPA(0x008)地址,写 DMA目的起始地址。
      • TLP包大小 : PC向BARO空间 WDMATLPS(0x00c)地址,写 TLP包大小。
      • TLP包个数 : PC向BARO空间 WDMATLPC(0x010)地址,写 TLP包个数。

    • 4、启动DMA
      • PC向BARO空间 DCR2(0x4)地址,写0x1值,表示对开启DMA传输。

    • 5、处理DMA完成
      • DMA传输完成后FPGA会给PC发送完成中断,PC接到FPGA发来的中断信号后检查自定义寄存器,判断是否为DMA写完成中断。


    (二) PC –> FPGA 数据传输具体实现
    • 过程与上述类似

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    2016-04-01 16:57:15  
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