基于PCI Express总线的高速数据传输系统的设计与实现
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摘要
随着计算机应用对带宽需求的日益增长,PCI Express总线协议作为PCI-SIG规范并标准化的第三代高性能的IO总线技术,拥有点到点的串行数据高速传输等诸多优势,成为未来总线技术的发展趋势。
高速数据传输系统是指上位机服务器和下位机硬件平台通过PCI Express桥芯片实现高速通信的DNS防火墙设备。本课题首先对PCI Express总线协议作了基本论述,然后对DNS防火墙系统从硬件、软件和应用程序三方面作了概述。最后重点对PCI Express桥芯片的设计作了详细阐述。课题采用Altera芯片厂商的Cyclon IV GX系列的FPGA实现,该FPGA内嵌了PCIe的IP硬核,该硬核实现了PCI Express总线协议的事务层、数据链路层和物理层的功能,所以课题只需要对PCI Express协议的应用层进行逻辑设计。应用层逻辑设计实现了单包读写(PIO)通路和DMA读写通路两种数据传输方式。
课题首先对高速数据传输系统进行需求分析,然后给出了基于FPGA的PCI Express桥芯片的设计方案,包括逻辑设计框图、接口说明及总线时序等。在此基础上,采用Verilog HDL硬件描述语言完成了应用层的RTL代码设计,实现了PIO通路和DMA通路功能。最后对高速数据传输系统进行系统级仿真验证,测试结果表明：PCIExpress桥芯片采用X1通道,DMA通路的读数据传输速率达到168MB/S,写数据传输速率达到172MB/S,满足上位机服务器和下位机硬件平台进行高速通信的速率要求。此外,还根据需求扩展到X4通道获得更高的传输速率。目前,DNS防火墙设备成功在线上部署,并得到广泛应用。
With the growing demand of bandwidth for computer application, PCI Express bus specification, as the Third Gneration Input/Output standard, own many advantages such as point to point transimission and serial data stream which makes it become the trend in bus technology field.
The high speed data transmission system refers to the DNS firewall device which implements the communication between the upper server host and lower hardware board through the PCI Express bridge chip. The first part describes the basic principle of PCI Express bus protocol. The second part gives the overview on the DNS device which consists of the hardware, software and web application. The last part presents the design and implementation of the PCI Express bridge chip based on FPGA.The FPGA of Altera Cyclon IV GX family chip, embed with PCIe IP core. The hard IP core implements the functions of transaction layer, data link layer and physical layer. So the subject needs to implement the logic design on PCIe application layer. The application layer is designed to implement programming input/output transmission and DMA transmission.
The subject makes a demand analysis on high speed data transmission system, then gives design scheme of PCI Express bridge chip, including logic design block diagram, interface description and bus timing. On the basis of scheme, the RTL coding is used in Verilog HDL language to implement PIO transmission and DMA transmission. In the end, the simulaiton of high speed data transmission system shows that DMA read data rate is168MB/s, DMA write data rate is172MB/s. So the design meets the requirements of high speed rate between upper server host and lower hardware board. In addition, we can expand the design by using X4channel to get higher speed rate. Now, the DNS firewall is deployed and used successfully.
高速数据传输系统是指上位机服务器和下位机硬件平台通过PCI Express桥芯片实现高速通信的DNS防火墙设备。本课题首先对PCI Express总线协议作了基本论述,然后对DNS防火墙系统从硬件、软件和应用程序三方面作了概述。最后重点对PCI Express桥芯片的设计作了详细阐述。课题采用Altera芯片厂商的Cyclon IV GX系列的FPGA实现,该FPGA内嵌了PCIe的IP硬核,该硬核实现了PCI Express总线协议的事务层、数据链路层和物理层的功能,所以课题只需要对PCI Express协议的应用层进行逻辑设计。应用层逻辑设计实现了单包读写(PIO)通路和DMA读写通路两种数据传输方式。
课题首先对高速数据传输系统进行需求分析,然后给出了基于FPGA的PCI Express桥芯片的设计方案,包括逻辑设计框图、接口说明及总线时序等。在此基础上,采用Verilog HDL硬件描述语言完成了应用层的RTL代码设计,实现了PIO通路和DMA通路功能。最后对高速数据传输系统进行系统级仿真验证,测试结果表明：PCIExpress桥芯片采用X1通道,DMA通路的读数据传输速率达到168MB/S,写数据传输速率达到172MB/S,满足上位机服务器和下位机硬件平台进行高速通信的速率要求。此外,还根据需求扩展到X4通道获得更高的传输速率。目前,DNS防火墙设备成功在线上部署,并得到广泛应用。
With the growing demand of bandwidth for computer application, PCI Express bus specification, as the Third Gneration Input/Output standard, own many advantages such as point to point transimission and serial data stream which makes it become the trend in bus technology field.
The high speed data transmission system refers to the DNS firewall device which implements the communication between the upper server host and lower hardware board through the PCI Express bridge chip. The first part describes the basic principle of PCI Express bus protocol. The second part gives the overview on the DNS device which consists of the hardware, software and web application. The last part presents the design and implementation of the PCI Express bridge chip based on FPGA.The FPGA of Altera Cyclon IV GX family chip, embed with PCIe IP core. The hard IP core implements the functions of transaction layer, data link layer and physical layer. So the subject needs to implement the logic design on PCIe application layer. The application layer is designed to implement programming input/output transmission and DMA transmission.
The subject makes a demand analysis on high speed data transmission system, then gives design scheme of PCI Express bridge chip, including logic design block diagram, interface description and bus timing. On the basis of scheme, the RTL coding is used in Verilog HDL language to implement PIO transmission and DMA transmission. In the end, the simulaiton of high speed data transmission system shows that DMA read data rate is168MB/s, DMA write data rate is172MB/s. So the design meets the requirements of high speed rate between upper server host and lower hardware board. In addition, we can expand the design by using X4channel to get higher speed rate. Now, the DNS firewall is deployed and used successfully.
引文
[1]金松波.基于PCI总线的数据采集与存储系统[D].南京：南京理工大学,2009.
[2]姜琳琳.高分辨率图像跟踪器中的FPGA设计与实现[D].西安：西安电子科技大学,2009.
[3]郭友洪.PCI Express交换器端口的设计[D].长沙：湖南大学,2009.
[4]汤奥.基于PCI-E接口数据采集系统FPGA设计与实现[D].武汉：华中科技大学,2011.
[5]陈重.PCI总线主设备控制器的FPGA实现[D].西安：西安电子科技大学,2009.
[6]张峰,李燕斌.基于PCI/PCIX-总线实现宽带数据高速传输[J].电讯技术,2012,52(8)：1317-1319.
[7]PCI Expess Base Specification Revision 2.1.2009.3
[8]李建兵,徐向辉.基于PCI-E总线的高速数据传输卡的设计与实现[J].计算机测量与控制,2011,19(10)：2581-2583.
[9]Ravi Budruk, Don Anderson, Tom Shanley. PCI Express系统体系结构标准教材[M].田玉敏 王崧 张波.北京电子工业出版社,2005.
[10]马鸣锦朱剑兵何红旗.PCI、PCI-X、PCI Express的原理及体系结构[M].北京清华大学出版社2007.4.
[11]XILINX推出业界首个可编程Express Card解决方案.集成电路应用,2006.1.
[12]龚颖,段一飞,王凤琳.PCI Express的发展和应用趋势[J].计算机与信息技术,2007(30)：402-404.
[13]张森峰.基于PCI Express的数据传输适配卡设计[D].太原：中北大学,2008.
[14]周晓波,夏敏,邹浩杰.基于PCI Express接口的高速数据传输系统设计[J].计算机应用,2012,4(21)：49-52.
[15]梦会,刘雪峰.PCI Express,总线技术分析[D].郑州：解放军信息工程大学,2006.
[16]林锦棠,敖发良PCI Express研究及其FPGA的实现[J].微计算机信息,2008(24)：185-187
[17]陈炳军.PCI Express数据事务层的设计及验证[D].杭州：浙江大学,2006.
[18]沈辉,张萍.FPGA在PCI Express总线接口中的应用[J].现代电子技术,2010,1(14)：109-111.
[19]马萍.基于PCI Express总线高速数据采集系统的设计与实现[D].北京：中国科学院,2008.
[20]程海全,徐抒岩,胡君.PCI设备配置空间研究[J].电子设计工程,2010,10(10)：1-4.
[21]劳懋元.PCI-Express数据链路层的设计[D].杭州：浙江大学,2006.
[22]欧阳干.PCI Express物理层的设计与实现[D].长沙：国防科技大学,2006.
[23]Altera Cooperation, PCI Express Compiler User Guide. [2012-3-1]. http://www.altera. com/literature/ug/ug_pci_express.pdf
[24]明幼林.基于FPGA的网络安全加速卡研究与设计[D].武汉：武汉科技大学,2010.
[25]赵桦,罗晓富,程军.DDoS攻击实时检测防御系统的硬件实现[J].微计算机信息,2005(21)：75-76.
[26]李磊.基于FPGA的网络防护系统的研究与设计[D].广州：华南理工大学,2010.
[27]Altera Cooperation, PCI Express High Performance Reference Design.[2012-3-1]. http://www.altera.comxn/literature/an/an456.pd f
[28]缪露鹏.PCI Express端点IP核设计[D].成都：电子科技大学硕士学位论文,2011.
[29]徐天,徐金甫,何道君.基于IP核的PCI Express接口[J].工程应用技术与实现,2009,12(35)：240-241
[30]PCI Express User Guder. Altera Cooperation.2008.12.
[31]杨鑫,徐伟俊,夏宇闻.Avalon总线最新接口标准综述[J].中国集成电路,2007,16(11)：24-29.
[32]王强.一种实时图像处理硬件平台的设计与实现[D].北京：北京交通大学,2009.
[33]贾俊.基于FPGA的串行现场总线的研究与设计[D].南京：南京航空航天大学,2008.
[34]王小华.医学超声内窥镜系统模拟和数字滤波的设计[D].天津：天津大学,2008.
[35]邓环环.基于FPGA的数字视频系统的研究与设计[D].北京：北京工业大学,2008.
[36]李娜.PCI Express IP核的软硬件协同设计和验证方法研究[D].西安：西安石油大学,2011.
[37]吴继华,王诚.设计与验证——verilog HDL[M].北京 北京邮电出版社2006.8.
[38]徐欣,周舟,李楠.基于FPGA的PXIe,总线DMA设计与实现[J].微机原理,2010,8(4)：10-13.
[39]刘兆庆,杜威达,朱雨.基于IP Core的PXI Express接口DMA引擎设计[J].电子测量技术,2012,16[7]：43-50.
[40]侯志春.基于PCIE接口的网卡硬件设计网.长沙：湖南大学,2009.
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