基于PCIExpress总线的数据采集设备的实现

　 1 引言

　　随着计算机技术的发展，数据传输带宽的日益增长，总线技术也在迅速的发展。高速信号传输，海量数据采集与记录，实时视频图像处理以及其他数据处理的数据吞吐量现以kMb/s为量级。

　　未来计算机系统对带宽和扩展性的要求已经超越了第二代总线技术。第三代高性能I/O总线技术——PCI Express(PCIE)总线解决了以往总线的不足，它的发展将取代第二代总线成为新的数据总线，其提供了更加完善的性能、更多的功能、更强的可扩展性和更低的成本。

　　本文研究PCI Express总线技术的发展与构架，介绍采用Xilinx公司的FPGA与NXP公司的PHY器件实现一种经济简单的数据采集设备。在电路设计中，分析了总线信号高速布线的要求。

　　最后详细介绍数据采集设备的数据通道部分在Xilinx Pipe Core中的实现，并通过WinDriver软件开发简单的驱动程序。

　　2 PCIE总线发展和构架介绍

　　2.1 PCIE总线的发展

　　PCI Express是用来互连诸如计算机和通信平台应用中外围设备的第三代I/O总线技术，第一代总线包括ISA，EISA，VESA和微通道(Micro Channel)总线，而第二代总线则包括了PCI，PCI-X和AGP。PCIExpress是一种能够应用于一点设备、台式电脑、工作站、服务器、嵌入式计算机和通信平台等所有周边I/O设备互连的总线。

　　PCIE最初由InteI发展，并于1992年在市场发布。PCIE的体系结构继承了第二代总线体系结构最有用的特点，并且采用计算机体系结构中新的开发成果。它保留了原先的通讯模型和下载配置机制，但抛弃了共享总线的方式，采用点到点的总线连接方式。由于它提供了更高的性能特点和越来越大的带宽，从而解决了PCI，PCI-X和AGP的许多缺点，是以后PC发展必然采用的接口总线，其必将取代PCI，PCI-X以及图形加速器(AGP)。

　　2.2 PCIE总线的构架

　　PCI Express保持了与PCI寻址模式(加载-存储体系结构具有单层地址空间)的兼容性，从而保证了对现有应用程序和驱动的兼容性。同时，PCI Express的配置机制是与PCI一致的即插即用标准。

　　软件层发出读写请求，使用基于数据包、分段传输的协议通过物理层传输至I/O设备。链路层向这些数据包添加序列号和循环冗余校验(CRC)以建立一个高度可靠的数据传输机制。基本的物理层包括传输对和接收对两个单工通道，统称为一个信道。1个lane的信道可以保证每个方向约250 MB/s标准带宽，这其中大约200 MB/s用来传输数据，其余被文件的协议部分占用。这一速率为一般PCI设备的2～4倍，同时PCIExpress总线点到点的总线连接结构可以让每个PCIExpress设备都具有这个带宽。