Virtex6 PCIe 超简版基础概念学习（二）

• 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异步。
• 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信号为低时，有效。
• trn_teof_n : 输入，发送帧结束标志，仅在trn_tsrc_rdy_n信号为低时，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_n 、trn_tsrc_rdy_n、trn_tdst_rdy_n同时为低时有效。
  • 为0表示数据在trn_td[63:0]
  • 为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；表示核已经准备好接收在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：
  • 核：
    • 将 trn_tdst_rdy_n拉低
  • 用户：
    • 将trn_tsrc_rdy_n和trn_tsof_n拉低，并与trn_td第一个数据前沿对齐。
    • 注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最后一个数据前沿对齐。（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为低时有效。
• trn_reof_n : 输出，接收帧结束标志，仅在trn_rsrc_rdy_n为低时有效。
• trn_rd : 输出，接收到的数据，仅在trn_rsrc_rdy_n为低时有效。
• trn_rrem_n: 输出，接收数据余数。仅在trn_reof_n 、trn_rsrc_rdy_n、trn_rdst_rdy_n同时为低时有效。
  • 为0表示数据在trn_rd[63:0]
  • 为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_n 到 trn_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
    • 将trn_rdst_rdy_n拉低。
  • 核
    • 将trn_rsof_n、trn_rsrc_rdy_n拉低，并与trn_rd第一个数据前沿对齐。
    • 将trn_rsof_n拉高，并继续输出数据
    • 将trn_rsrc_rdy_n与trn_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_n、trn_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为低后。
• cfg_interrupt_rdy_n : 输出，中断确认信号，当此信号与cfg_interrupt_n信号同时为低时表示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。
  • 为1表示有效
  • 为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
  • 将cfg_interrupt_n、cfg_interrupt_assert_n拉低，请求中断。cfg_interrupt_di[7:0]始终置为00h。
• 核
  • 将cfg_interrupt_rdy_n拉低
• 用户
  • 在下一个时钟周期，将cfg_interrupt_n拉高置为无效。
• 核：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
  • 将cfg_interrupt_assert_n拉高置无效，同时将cfg_interrupt_n拉低。
• 核：
  • 将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。
• 核：
  • 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 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。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 FPGA，FPGA 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、非转发事务和完成事务的数据包。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）和带数据的完成（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、存储器读事务和存储器写事务。
• 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 Block 和 DMA 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 Engine 和 RX Engine 的通讯。TX Engine 将尚未发送的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