（微电子学与固体电子学专业论文）基于pci+express接口的高速数据传输系统设计.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：随着铁路列车运行速度的不断提高，铁路列车的移动无线通信网络需要适 应高速的移动环境。高速度必然会使无线通信传输的误码率增加，同时导致信号 的衰落率增大，因此需要能够快速地跟踪无线通信网络信道参数的变化，通过对 这些参数进行研究分析，找到相应的算法以降低无线传输的误码率。 数据采集卡可以对信道中的高速数据进行采集和处理，而数据传输系统是数 据采集卡的重要组成部分，因此高速、高效的数据传输方案成为数据采集卡系统 设计的重点和难点之一。传统数据传输速率的瓶颈是制约数据采集卡的重要因素 之一，因此，采用新的接口技术解决数据传输这一瓶颈问题显得日益突出，而p c i e x p r e s s 总线的出现对解决高速数据的传输问题带来了光明的前景。 本文提出一种高速数据传输系统的解决方案，应用于针对高速铁路的无线通 信信道参数的数据采集卡中，满足高速、连续的数据采集的要求。本方案基于p c i e x p r e s s1 0 接口标准，采用硬件描述语言v e r i l o gh d l 、模块化设计思想以及d m a 传输方式，利用可编程逻辑器件f p g a 实现数据的高速传输。主要内容包含以下 两点。 ( 1 ) 研究本方案所针对的数据采集卡和第三代i o 互连总线p c ie x p r e s s 的拓扑和链路结构。 ( 2 ) 给出基于p c ie x p r e s s 接口的高速数据传输系统方案的总体设计方案， 对整体方案、功能划分和模块功能进行阐述，用f p g a 验证设计方案并对结果进 行分析。最后给出结论。 经仿真与f p g a 实验验证，本方案能够满足高速数据采集卡中对数据传输的 性能要求。本方案对通用数据采集卡也具有一定的应用与参考价值。 关键词：p c ie x p r e s s 接口；数据传输；f p g a ；i p 核；数据采集 分类号：t n 4 0 2 a b s t r a c t a bs t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h es p e e do ft r a i n si m p r o v e dc o n s t a n t l y ，t h em o b i l ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nn e 仰o r k so nt h er a i l w a yt r a i nn e e dt oa d a p tt ot h eh i 曲s p e e dm o b i l e e n v i r o n m e n t h i 曲一s p e e dw i r e l e s st r a n s m i s s i o ni sb 吼m d t om a k et h ee r r o rr a t ei n c r e a s e ， w h i c h1 e a d st h ed e c l i n er a t et oi n c r e a s e t h e r e f o r e ，c h a i m e lp a r a m e t e r sn e e dt o b e q u i c k l yt r a c k e di nt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k h e n c e ，i ti si m p o r t a n tt on n d t h ec o h e s p o n d i n ga l g o r i t h mt or e d u c em ee h o rr a t eo ft h ew i r e l e s st r a n s m i s s i o n t h r o u 曲r e s e a r c ha n da n a l y s i so f t h e s ep a r a m e t e r s d a t at r a n s f e rs y s t e mi sa ni m p o r t a n tp a no fd a t aa c q u i s i t i o nc a r dw h i c hc o l l e c t s a n dp r o c e s s e sh i g h s p e e dd a t ai nt h ec h a r u l e l s ot h eh i 曲一s p e e d ，e f j f i c i e n td a t a t 眦s m i s s i o ns c h e m ei so n eo ft h ef o c u s e da n dd i m c u l t yp o i l l t sf o rt h ed e s i g no fd a t a a c q u i s i t i o nc a r ds y s t e m t h eb o t t l e n e c k o ft r a d i t i o n a ld a t at r a n s m i s s i o ni so n eo f i m p o r t a n tf a c t o r s t h a th i n d e r st h ed a t aa c q u i s i t i o nc a r d t h e r e f o r e ，an e wi n t e r f a c e t e c h n o l o g yt os 0 1 v et h eb o t t l e n e c kp r o b l e mo fd a t at r a n s m i s s i o nb e c o m e si n c r e a s i n 9 1 y p r o m i n e n t a n dt h ee m e 唱e n c eo ft h ep c ie x p r e s sb u sl i 曲t s t h ef h t u r et os o l v et h e p r o b l e mo fh i g h s p e e dd a t at r a n s m i s s i o n a d e s i g no fh i g h s p e e dd a t at r a n s m i s s i o ns y s t e mi sp r o p o s e dh e r e ，w h i c hi s u s e d f o rt h ed a t aa c q u i s i t i o nc a r da i m i n ga tc h a n n e lp a r a m e t e r si nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o no f ah i g h s p e e dr a 订w a y i n a d d i t i o nt h i sd e s i g nm e e t st h eh i g h s p e e da n dc o n t i n u o u sd a t a a c q u i s i t i o n w i t hv e r i l o gh d l t h a ti sak i n do fh a r d w a i ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ，t h e d e s i g n o f m o d u l a r i z a t i o n ， d m at r a n s m i s s i o n w a y a n d u s i n g f p g a( f i e l d p r o 铲a m m a b l eg a t ea r r a ”t or e a l i z et h eh i 曲一s p e e dd a t a 缸- a n s f e r i i lt h i st h e s i st l l e r ea r e m a i n l ym ef o l l o w i n gt w op o i n t s f i r s t l y ，t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ed a t aa c q u i s i t i o n c a r do ft h ed e s i g na n dt h e t o p o l o g ya n dl i r l kc h a r a c t e r i s t i c so f m et h i r dg e n e r a t i o ni n t e r c o 皿e c tb u sb r i e f l y s e c o n d l y ，m ew h o l ed e s i g ns c h e m eo fh i 曲一s p e e dd a t at r a n s f e rs y s t e mb a s e do n p c ie x p r e s si n t e r f a c ei sp r e s e n t e d w h a t sm o r e ，t 1 1 em n c t i o nd i v i s i o na 1 1 dm e 如n c t i o n o fm o d u l e sa r ed i s c 曲e d t h e nt h ed e s i 印sa n da n a l y z e sa r ei m p l e m e n t e da i l dv 嘶f i e d b yf p g a f i n a n yt h ec o n c l u s i o ni sg i v e n o u t t h r o u 曲s i m u l a t i o na n dv 甜f i c a t i o n ，m i sd e s i g n i sf e a s i b l ea 1 1 dc a nm e e tt h e p e 面m a n c er e q u i r e m e 幽o fd a t a 仃a n s m i s s i o ni n l eh i g l l s p e e dd a t aa c q u i s i t i o nc 莉 1 1 1 ed e s 啦a l s oh a ss o m ev a l u eo fa p p l i c a t i o n 锄dr e f e r e n c ef o rau n i v e r s a ld a t a a c q u i s i t i o nc a r d 北京交通大学硕士学位论文 k e y w o r d s ：p c ie x p r e s si n t e r f a c e ；d a t at r a n s f e r ；f p g a ；i pc o r e ；d a t aa c q u i s i t i o n c l a s s n o ：t n 4 0 2 致谢 本论文的工作是在我的导师周晓波教授悉心的指导下完成的，周晓波教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极人的帮助和影响，同时在学习和生活上 也给予了我很大的关心和帮助，在此衷心感谢三年来周晓波老师对我的关心和指 导。 本课题的研究、完成和论文的撰写过程中，实验室的师兄、师姐和同学给予 了许多建议和帮助，在此也表示真心的感谢。同时也感谢每一位教授我专业知识 的老师，在我的学习和生活，卜直给予了无私的指导和帮助。 另外，我要特别感谢我的父母，是他们无私的支持和理解让我能够专心的在 学校学习、完成学业，谢谢我的哥哥在我的生活c i i 也给予了很多的关心和鼓励。 最后，真心感谢在我成长过程中的学习和生活一卜给予帮助和关心的亲人、老 师、朋友和同学。 引言 1 引言 1 1 课题研究背景与意义 高速铁路列车具有很高的移动速度，其移动无线通信网络需要适应高速的移 动环境，支持列车最高速度5 0 0 k m h 和最高平均速度3 5 0k mm 的情况。高速铁路 较高的移动速度无疑会增加无线通信传输的误码率，并且会使得信号的衰落率较 高，即信号的变化较快。同时随着速度的不断提高，铁路基地接收信号的多普勒 频移线性也随之增加，导致基地接收信号的快速衰落，无线信号的质量急剧下降， 误码率也会随之增加。因此需要快速跟踪信道参数的变化，以降低无线传输的误 码率。对信道参数的跟踪不可避免地会面临高速数据的采集和传输问题。 在高速数据采集的应用中，很重要的一部分就是对信号高速采集后的传输和 存储，存储的数据可以用于后续的分析和处理。 由于高速铁路列车的无线移动通信系统的组网方式和通信环境的特殊性，为 了不丢失数据，因此对铁路无线移动通信系统中的信号数据的采集设备必须满足 高精度、大动态、高速率的要求 i 。特别是当数据传输速率低时，在一些要求严格 的场合中不能对数据进行连续和高速的采集。而p c ie x p r e s s 总线技术的规范和应 用已经比较成熟，因此采用p c ie x p r e s s 接口对采集到的数据进行传输，能够满足 数据采集卡连续和高速采集数据的要求。 从最初的最大传输速率只有8 m b s 的i s a ( i n d u s 衄s t a n d a r da r c h i t e c t h u r e ) 总线 技术演进到当前的p c i ( p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti i l t e r c o i u l e c t i o n ) 总线。英特尔公司最 初推出的p c i 总线工作在3 3 m h z 频率之下，带宽达到1 3 3 m b s 即3 3 m h z 卡3 2 b i t s ， 后来又提出了6 4 b i t 位宽的p c i 总线，再后来频率又提高到6 6 m h z ，在这样仍然不 能满足用户需求的情况下，p c i x 诞生了，它的频率最高能达到5 3 3 m h z 。发展到 这一步，此种类型的总线接口的频率已经提高到极限了。因此，要想达到更高的 速率，必须发明一种新技术总线，这就是p c ie x p r e s s 。它改变了p c i 总线技术的 并行数据的传输方式，采用串行数据传输。再加上运用了差分信号传输技术，使 得它单条链路工作频率可以达到2 5 g h z 【l 】。 目前，高端p c ( p e r s o n a lc o m p u t e r ，个人电脑) 一般都带有p c ie x p r e s s 插槽， 很多显卡及其他外设都采用了p c ie x p r e s s 总线技术，p c ie x p r e s s 必将如p c i 一样 得到普及。本课题就是使用p c ie x p r e s s 接口解决高速数据采集后数据传输和存储 的问题。 北京交通大学硕士学位论文 1 2 课题设计主要内容与任务 本课题主要是解决高速数据采集卡采集到的数据女| i 何进行传输和存储的问 题。 1 传输问题 传输是通过p c ie x p r e s s 总线实现的，将采集到的数据通过满足速率条件的p c i e x p r e s s 接口进行传输。而实现p c ie x p r e s s 的接口，本课题中采用a 1 t e r a 公司的 a r r i a i ig x 系列芯片，此系列芯片具有低成本高系统集成度、低功耗、具有内建 p c ie x p r e s s 硬核，更易实现基于f p g a 的收发器等优点。采用a 1 t e r a 公司提供的 p c ie x p r e s si p 核实现p c ie x p r e s s 协议，p c ie x p r e s si p 核完整地实现了p c i e x p r e s s 设备分层中的处理层、数据链路层以及物理层逻辑子部分的功能，对外提 供处理层接口供软件层调用，因此系统设计时不需要设计者实现整个p c ie x p r e s s 协议，只需要实现数据的发送和接收逻辑，使得传输系统的设计大大简化。其中 i p 核的使用可以采用基于s o p c 和基于m e g a w i z a r dp l u g - i nm a n a g e r 的方式，s o p c 方式只能实现1 o 版本x 4 的通道，而基于m e g a w i z a r dp l u g i nm a n a g e r 和q u a 咖si i 的联合设计则可以实现1 。0 版本x 8 通道，达到预定的目标。 2 存储问题 通过p c ie x p r e s s 总线接口实现了从外部数据采集到上位机的传输通道，而这 些采集到的数据需要首先进行存储，以备后续的分析和处理。从p c ie x p r e s s 传到 上位机的数据首先被放置到内存中，而内存无法实现永久的存储，目的是将数据 最终存储在硬盘中，在这里采用性能卓越的固态硬盘，实现及时将内存中的数据 存储起来。 本课题研究的目的在于设计高速、高性能的数据传输系统，本数据传输系统 方案是针对数据采集卡，大数据量、实时传送的需求而设计的。本课题的主要任 务主要包括以下方面。 ( 1 ) p c ie x p r e s s1 0 总线协议规范研究与分析，深入学习p c i e x p r e s s 总线协 议( i 通v i 0 ) ，理解p c ie x p r e s s 的事务类型、中断、配置空间以及机电特性。 ( 2 ) 对时钟控制数据缓存、d m a 传输、中断处理进行研究分析。 ( 3 ) 对整个数据传输系统进行研究与分析，并由上到下对其进行模块划分。 ( 4 ) 对f p g a 配置协议等模块进行研究，并用v e r i l o gh d l 设计与编写模块 的r t l 级代码编写，并对各模块进行仿真验证。 ( 5 ) 在实验板卡上对方案进行测试。 引言 1 3 论文章节安排 全文共分6 章： 第l 章主要介绍课题的研究背景、意义，课题设计的主要内容和任务，论文 的章节安排。 第2 章简单介绍i 0 总线的发展历史；主要介绍p c ie x p r e s s 系统拓扑与链路 结构、层次概述，处理层和链路层数据包。 第3 章简单介绍数据采集卡系统；主要对传输系统方案进行分析和设计，完 成对方案的模块划分；对设计的模块的功能进行描述。 第4 章主要对方案中重要模块的f p g a 逻辑设计进行介绍与分析；介绍相应 模块的工作情况。 第5 章介绍方案中重要模块的仿真与验证；介绍实验板卡的测试。 第6 章总结论文的主要内容，同时提出需要改善和提高的地方。 北京交通大学硕士学位论文 4 p c ie x p r e s s 总线 2p c ie x p r e s s 总线 系统总线用来连接计算机各功能部件而构成一个完整的计算机系统，是计算 机系统硬件结构的基础。i o 总线是指缆线和连接器系统，用来传输i 0 路径技 术指定的数据和控制信号，其类型有i s a 、e i s a 以及m c a 。i o 总线的性能对 子系统的数据处理、传输会产生直接的影响。 2 1i o 总线发展历史 i 0 总线的发展历史可分为3 代。 第一代，i s a 、m c 、e i s a 和v e s a 。i s a ( i n d u s t r i a ls t a n d a r da r c h i t e c t u r e ，工 业标准结构) 总线的数据宽度为1 6 位，其数据传输的速率为5 m b s 。v e s a ( v i d e o e 1 e c t r o n i c ss t a n d a r d sa s s o c i a t i o n ，视频电子标准协会) 总线是一个3 2 位标准 的计算机局部总线，是针对多媒体p c 要求高速传送活动图像的大量数据应运 而生的。它的数据传输率最高可达1 3 2 m b s 。 第二代，a g p 、p c 和p c i x 。p c i ( p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ，夕 、 设组件互连) 总线是一种不依附于某个具体处理器的局部总线。从结构上看，p c i 是在c p u 和原来的系统总线之间插入的一级总线，具体由一个桥接电路实现对这 一层的管理，并实现上下之间的接口以协调数据的传送。a g p ( a c c e l e r a t e dg r a p h i c p o r t s ，加速图形接口) ，是一种专用于电脑图形显示的接口，因为a g p 的规范是 在p c iv 2 1 的标准上建立起来的，人们也称之为“a g p 总线”。而p c i x 是p c i 总 线的一种扩展架构，仍采用传统的总线技术，不过有更多数量的接线针脚，同时 所有的连接装置会共享所有可用的频宽 2 1 。 第三代高性能i o 总线为高性能的p c ie x p r e s s 总线。它在结构上有了根本性 的变革，主要体现在两个方面：一是由并行总线变为串行总线；二是采用了点到 点( 端到端) 的互连。p c ie x p r e s s 因为传递数据的方式为串行数据包，所以p c i e x p r e s s 接口的针脚比传统的i o 接口有更多的带宽而且p c ie x p r e s s 设备的体积比 传统的i o 接口设备有所减小。另外，p c ie x p r e s s 接口支持数据的同步传输、具 有高阶的电源管理，能够热插拔。每个引脚的平均带宽大幅度提升而引脚的数目 却有很大的减少，因此降低了p c ie x p r e s s 设备的成本【3 1 。 北京交通大学硕士学位论文 2 2p c ie x p r e s s 系统拓扑与链路结构 p c ie x p r e s s 系统使用高速差分总线，并采用端到端的连接方式，因此在每一 条p c ie x p r e s s 链路中只能连接两个设备。这使得p c ie x p r e s s 总线与p c i 总线采 用的拓扑结构有所不同。p c ie x p r e s s 总线除了在连接方式上与p c i 总线不同之外， 还使用了一些在网络通信中使用的技术，如支持多种数据路由方式，基于多通道 的数据传输方式，基于报文的数据传送方式，并充分考虑了在数据传送中出现服 务质量q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 问题。 2 2 1p c ie x p r e s s 系统的拓扑结构 经简化的p c ie x p r e s s 系统拓扑结构包括4 种功能类型 4 】：根联合体、交换器、 端点和桥接器，如图2 1 所示。 c p u ! 王、。， g f x- - r o o t c o m p l e xe 二jm e m o r y 圃i i _ ：噶器| r 二r ；e n d p o 打n j _ 1 r je n d p o i n t e n d 加i n t 图2 1p c ie x p r e s s 系统拓扑结构 f i 9 2 1t o p o l o g yo fp c ie x p r e s ss y s t e m 图2 1 所示的拓扑结构中的每个设备都与单独的地址空间相映射，通过加载存 取命令对其进行访问。每条虚线均代表两个p c i e ( p c ie x p r e s s ) 设备之间的一条 连接，这种连接称为链路。 根联合体( r o o tc o m p l e x ) 连接c p u 和设备，位于i o 层次的根部。根联合体 支持一个或多个p c ie x p r e s s 设备，根联合体能够发起i o 请求和配置请求。 设备( e n d p o i n t ) 分为p c ie x p r e s s 设备和传统设备。此处可以将设备称为端 p c ie x p r e s s 总线 点。端点可以发起p c ie x p r e s s 事务的请求。 交换器( s w i t c h ) 是由两个或多个逻辑p c i 到p c i 桥组成的，能够在任何端口 利用p c i 桥机制对处理层的数据包进行转发。交换器需要符合流控制的规范，例 如，不允许对数据包进行拆包操作，例如，1 2 8 字节有效载荷的单一数据包不能拆 成两个6 4 字节有效载荷的数据包。当同一虚拟通道出现竞争时，交换器端口间的 仲裁可以采用加权循环或者轮询方式。 p c i et op c i 桥用于将p c i e 与其他p c i 总线标准( 如p c i p c i x ) 相连接， 适用于那些同时采用了这些体系架构和p c i e 的系统。 2 2 2p c ie x p r e s s 系统的链路结构 链路描述了两台p c i e 设备之间的双工、单工的传输通道，如图2 2 所示。基 本的p c ie x p r e s s 链路由两个低电压的、差分的信号对组成，一个是发送的信号对， 另一个是接收的信号对，这些信号称为通道【4 7 】。链路的主要特征女下。 ( 1 ) 基本链路由双工、单工差动信令链路组成。时钟由8 b 1 0 b 编码方式嵌入 到传输数据中，用来提高数据速率。 ( 2 ) 第一代p c ie x p r e s s 总线规定了一种信号的传输速率，即每条链路中， 单方向每个通道为2 5 g b i t s 。目前，速率已有所提高，如p c ie x p r e s s 2 o 为5 g b i t s ， p c ie x p r e s s 3 o 为8 g b i t s 。 ( 3 ) 一条或者多条通道构成了一条链路，用n 表示。一条p c ie x p r e s s 链路 在每个方向上可以有1 、2 、4 、8 、1 6 或3 2 个信号对( 通道) 这些信号 对称为通道，每条通道在每个方向上的发送和接收速率为2 5 g b i t s 。 ( 4 ) 一条链路的每个单方向上的通道数是对称的。例如，3 2 的链路表明每 个单方向上有3 2 组差分信号对，即3 2 个通道。 ( 5 ) 硬件初始化期间，链路两端的设备通过对通道( 信号对) 的宽度、操作 频率协商完成初始化。 t j 士i 【1 丁 p c i - e ( 1 ，2 ，4 ， p c i e 设备a 8 ，1 6 ，3 21设备a 图2 2p c ie x p r e s s 链路 f i g 2 2l i n ko f p c ie x p r e s s 在p c ie x p r e s s 链路上，为了使接收端能从输入比特流中恢复时钟信号，发送 7 北京交通大学硕士学位论文 的每8b i t s 都被转换成l ob i t s 的代码，因此每发送8b i t s 的数据，会造成( 1 0 8 ) 8 = 0 2 5 ，即2 5 的开销，因此单通道单方向的实际有效传输带宽为2 5 ( 1 一o 2 5 ) = 2 g b i t s 。p c ie x p r e s s 各种链路宽度的单向有效总带宽见表2 1 ，单向有效总带宽= 通道数单通道单向带宽( 8 1 0 ) 。可以看出，p c ie x p r e s s 所能达到的有效总带宽远 远高于任何现有总线。 表2 1p c ie x p r e s s 各种链路单向有效带宽 t a b l e 2 1o n e w a ye 虢c t i v eb a i l d w i d t ho f p c ie x p r e s sl i l l l 【s 通道数 l248163 2 带宽( g b i t s ) 2481 63 26 4 2 3p c ie x p r e s s 逻辑层结构 p c ie x p r e s s 规范定义了3 层分离的逻辑层体系结构：处理层、数据链路层和 物理层。如图2 3 所示，这3 层又可以进一步分成发送和接收两个部分。其中，发 送部分负责处理出站的数据流，接收部分负责处理入站的数据流 8 1 。 处理层处理层 r全 1 i rl 数据链路层数据链路层 物理层物理层 逻辑模块逻辑模块 | 。 电气子模块电气子模块 接收发送接收发送 图2 3p c ie x p r e s s 逻辑层结构 f i g 2 3a r c h i t e c t 山eo f 也ep c ie x p r e s sl 0 9 i c a ll a y e r p c ie x p r e s s 总线 2 3 1处理层 处理层( t r a n s a c t i o nl a v e r ) 是总线的顶层，主要作用是接收软件层的数据封 包和解包，即形成t l p 包和解t l p 包。( t l p ：t r a n s a c t i o nl a y e rp a c k e t s ，处理层 数据包) 。处理层的主要任务如下。 ( 1 ) 配置和初始化功能：存贮处理器或管理器件的链路配置信息；存贮由物 理层器件带宽和频率确定的链路容量。 ( 2 ) t l p 数据包的发生和处理：根据器件内核请求生成读、写请求t l p 传输 到链路层；为器件内核翻译接收到的t l p 请求包；将接收到的某些请求的响应包 翻译成有效负荷和状态信息并发送给器件内核，如对存储器的读操作；侦查非法 包并调用相应机制处理非法包；维护数据包的完整性。 2 3 2数据链路层 数据链路层的主要作用就是保证数据包在链路上的可靠传输，其功能包括错 误检测与重试、流量控制信用度( f c c ) 初始化和更新，以及功率管理服务。 链路两端的数据链路层将采用一个流量控制( f c ) 初始化协议来对链路进行 初始化。此协议用于与每个链路合作设备的可用队列资源进行通信。一旦f c 初始 化完成，此链路即准备好向事务处理层提供可靠的数据传输服务。在t l p 传输过 程中，定期的流量控制更新将继续追踪可用的缓存区空间数量以防止发生溢出。 物理链路是不可靠和容易丢失的，而数据链路层通过对接收到的t l p 进行校 验、肯定应答或者在错误时能够重新传输数据的方式，实现数据的可靠性传输。 这些t l p 被分配了序列号i d 和一个循环冗余校验码c r c ，并发送至物理层。在 收到以后，c r c 和序列编号均将得到校验。c r c 内发生的错误或序列编号乱序现 象均表明发生了传输错误，因此信号将采用一个否定应答( n a k ) 来做出响应。 在收到n a k 后，发送器会重新发送这个数据包，而这个数据包存储在一个专用于 此目标的中继缓冲区内。如果c r c 序列编号校验成功，则接收器发送一个肯定应 答( a c k ) 。只有在给定t l p 的a c k 已经收到后，相应的数据才会从中继缓冲区 内清除。通过运用这一协议，数据链路层就可保证t l p 的传输成功。 2 3 3物理层 物理层分为逻辑物理层和电气物理层。t l p 和d l l p 类型的数据包都是从数 据链路层发送至物理层，通过链路传送。同时物理层也从链路上接收数据包并将 9 北京交通大学硕士学位论文 其发送至数据链路层。 物理层的功能有：链路定向与初始化、协商链路宽度、可选的通道反转特性、 极性倒置、通道到通道间的相位补偿、链路电源管理、复位。电气物理层：一台 设备的发送器与链路另一端另一台设备的接收器是a c 耦合的。a c 耦合电容的大 小在7 5 2 0 0 n f 。发送器的d c 共模电压是在链路定向和初始化期间确定的，d c 共 模阻抗通常是5 0 欧姆，而差动阻抗通常是l o o 欧姆。 2 4 处理层数据包( t l p ) 在p c i e 设备之间传送的信息以数据包的形式存在。高层数据包的信息压缩 在低层封装包中，应用级数据最终放置在数据包的核心位置。每一个协议层都有 与之对应的数据包类型，处理层对应的就是t l p ，数据链路层对应的是d l l p ( d a t a l i l l l ( l a y e rp a c k e t ，数据链路层数据包) ，物理层对应的则是p l p ( p h y s i c a ll a y e r p a c k e t ，物理层数据包) 。其中，高层的t l p 和低层的用于链路维护的d l l p 是p c i e 设备之间交换的主要数据包类型。 数据在各个层次上的封装结构如图2 4 所示。 ； 处理层数据包( t l p ) i h e a d e r | d a t a ； e c r c； 、3 i d w o - 1 0 2 4 d w 1 d w ，一，+ ，+ 黑乎工i i _ 每；i 0 | | 1 面_ 一 - 一、2 b 1 w 一一7 1 一一一一 ， 1 b 1 b 图2 4 数据在各个层的封装 f i g 2 4p a c k a g eo fd a t ai ne a c hl a y e r 2 4 1t l p 的格式 t r a n s a c t i o nl a v e r ，3 7 d a t al i n kl a y e r 么 7 p h y s i c a ll a y e r 处理层是p c ie x p r e s s 总线层次结构的最高层，该层次将接收p c i - e 设备核心 层的数据请求，并将其转换为p c ie x p r e s s 总线事务，p c ie x p r e s s 总线使用的这些 总线事务在t l p 头中定义。 当处理器或者其他p c i e 设备访问p c i e 设备时，所传送的数据报文首先通 1 0 过处理层被封装为一个或者多个t l p ，之后才能通过p c ie x p r e s s 总线的各个层发 送出去。t l p 的基本格式见表2 2 。 表2 2 t l p 的基本格 t a b l e 2 2b a s i cf o n n a to f t l p t l ph e a d e rd a t ap a y l o a d t l p d i g e s t ( o p t i o n a l ) l 一个完整的t l p 【1t l ph e a d e r ( 头) 、d a t ap a y l o a d ( 数据有效负载) 和t l p d i g e s t ( 摘要) 组成。t l p 头是t l p 最重要的标志，对二f 不同的t l p ，其头的定 义并不棚同。t l p 头包含丫当前t l p 的总线事务类型、路山信息等一系列信息。 在一个t l pt l 数据有效负载的长度可变，最小为0 ，最大为1 0 2 4 d w 。 t l p 头m3 个或者4 个双，( d w ) 组成。其中，第一个双宁中保持通用t l p 头，i ! e 他宁段j 通用t l p 的聊e 宁段棚关。一个通，f jt l p 头格式川女图2 5 所示。 + o十1 2+ 3 7 褂”| 。7 ”l4 弦了；6l5 4 | 32 j 。 7 | 6 5j 五| 3 i2 | ，lo 矧溉 j i 砸荔睁除燧i | | 糍荔i i裂霉秘i 豢蠖 i 嗡糖萋囊j 一a s l j w ! s 【0 w | ： e 随h 盼s 鐾撂。稿韵8 d 铡溺酾e 硝r 鼹滤礴 ；。 b 兰b 兰 2 4 2t l p 的路由 罔2 5 通f ht l p 的义格j 匕 f i g 2 5c o m l n o nf o n n a to f t l ph c a d c r t l p 的路由是指t l p 通过交换器( s w i t c h ) 或者p c ie x p r e s s 桥片时采用哪条 路径，最终到达e n d p o i n t 或者r o o tc o m p l e x 的方法。p c ie x p r e s s 总线一共定义了 3 种路由方法，分别是基于地址的路由，基于i d 的路由和隐式路由方式。 存储器和i o 读写请求t l p 使用基于地址的路由方式，这种方式使用了t l p 中的a d d r e s s 宁段进行路由选径，最终到达目的地。 而配置读写报义“v e n d o rd e f j n e dm e s s a g e s ”报义、c p l 和c p l d 报义使用基于 i d 的路由方式，这种方式使用p c i 总线号进行路由选径。隐式路由方式主要用于 m e s s a g e s 报文的传递。 2 4 3存储器、i o 和配置读写请求 1 存储器读请求t l p 和读完成t l p 北京交通大学硕士学位论文 当p c ie x p r e s s 主设备，r c ( r o o tc o m p l e x ) 或者e p ( e n d p o i n t ) ，访问目标 设备的存储器空间时，使用n o n p o s t e d 总线事务向目标设备发出存储器读请求， 目标设备收到这个存储器读请求t l p 后，使用存储器读完成t l p ，主动向主设备 传递数据。当主设备收到目标设备的存储器读完成t l p 后，将完成一次存储器读 操作。 2 存储器写请求t l p 在p c ie x p r e s s 总线中，存储器写使用p o s t e d 总线事务。p c ie x p r e s s 主设备仪 使用存储器写请求t l p 即可完成存储器写操作，主设备不需要目标的回应报文。 3 配置读写请求t l p 和配置读写完成t l p 配置读写操作使用n o i l p o s t e d 总线事务，因此配置读请求报文都需要完成作 为应答。 4 消息报文 p c ie x p r e s s 总线使用基于报文的数据传送模式，所有总线事务都是通过报义 实现的，p c ie x p r e s s 总线取消了一些在p c i 总线中存在的边带信号。在p c ie x p r e s s 总线中，一些由p c i 总线的边带信号完成的工作，如中断请求和电源管理等，在 p c ie x p r e s s 总线中由消息请求报文实现。 5 t l p 中数据负载相关的参数 1 0 】 在p c ie x p r e s s 总线中，有些t l p 含有数据负载( d a t ap a y l o a d ) ，如存储器写 请求、存储器读完成t l p 等。在p c ie x p r e s s 总线中，t l p 的d a t ap a y l o a d 大小与 m a xp a y l o a ds i z e 、m a xr e a dr e q u e s ts i z e 矛口r c b 相关。 1 ) m a x _ p a y l o a d _ s i z e p c ie x p r e s s 总线规定在t l p 报文中，数据有效负载的最大值为4 k b ，但是 p c i e 设备并不一定能够发送这么大的数据报文。m a xp a v l o a ds i z e 参数在d e v i c e c o n t r o l 寄存器中定义叱 m a xp a y l o a ds i z es u p p o r t e d 参数存放一个p c i e 设备中t l p 有效负载的最大 值，该参数由p c i e 设备的硬件逻辑确定，系统软件不能改写该参数。而 m a xp a v l o a ds i z e 参数存放p c i e 设备实际使用的t l p 有效负载的最大值。该参 数由p c ie x p r e s s 链路两端的设备协商决定，是p c i e 设备进行数据传送时实际使 用的参数。 p c i e 设备发送数据报文时，使用m a xp a y l o a ds i z e 参数决定t l p 的最大有 效负载。当p c i e 设备所传送的数据大小超过m a ) 【p a v l o a ds i z e 参数时，这段数 据将被分割为多个t l p 进行发送。 2 ) m a x _ - r e a d - r e q u e s l s i z e m a xr e a dr e q u e s ts i z e 参数由p c i e 设备决定，该设备规定了p c i e 设备一 p c ie x p r e s s 总线 次能从目标设备读取多少数据，在d e v i c ec o n t r o l 寄存器中定义，该宁段与存储器 读请求t l p 的l e n g t h 字段相关j 。 p c ie x p r e s s 总线规定存储器读请求读取的数据长度不能超过参数m a xr e a d r e q u e s ts i z e ，即存储器读t l p 中的l e n g t h 字段不能大于这个参数。如果一次存 储器读操作需要读取的数据范围大于m a xr e a dr e q u e s ts i z e 参数时，该p c i e 设 备需要向目标设备发送多个存储器读请求t l p 。 p c ie x p r e s s 总线规定m a xr e a dr e q u e s ts i z e 参数的最大值为4 k b ，但是系 统软件需要根据硬件特性决定该参数的值。因为p c ie x p r e s s 总线规定e n d p o i n t 在 进行存储器读请求时，需要具有足够大的缓冲来接收来自目标设备的数据。 3 ) r c b 参数 r c b 参数在l i n kc o n t r o l 寄存器中定义，默认值为6 4 b 。如果存储器读完成 报文所传递数据的地址范围没有跨越r c b 参数的边界，那么数据发送端只能使用 一个存储器完成报文将数据传递给请求方，否则可以使用多个存储器读完成t l p ， 此时需要遵循以下原则。 ( 1 ) 第一个完成报文所传送的数据，其起始地址与要求的起始地址相同。其 结束地址或者为要