基于FPGA的PCI Express高速数据交换技术研究

发布时间：2017-03-18 22:07

  本文关键词：基于FPGA的PCI Express高速数据交换技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：本课题来源于国家自然科学基金重点项目“基于AIS的船舶无线自动定位的新理论与关键技术”(NO.61231006),该项目采用软件接收机的技术架构研究实现AIS基带信号的处理。本课题在该项目中承担射频信号下变频后AD高速采样数据初步I/Q解调后的高速数据传输接口部分的研究设计。本研究将FPGA解调后的数据实时传输到PC机的软件平台,其需求的数据传输速率为931.84Mb/s。由于研究成果应用于工业实现,考虑到设计的稳定性和高速的数据交换要求,本设计需要使用PCI Express总线才能满足设计的需求。根据PCI Express总线的性能以及对设计成本的考虑,本设计使用PCI Express1.1协议实现高速数据交换功能。主要完成了以下几方面的研究内容。(1)深入研究了PCI Express系统的拓扑结构以及PCI Express总线的层次结构,从而确定了系统顶层的设计架构,将设计划分为事务层、数据链路层和物理层三个层次,同时确定了系统时钟以及各层次的时钟。(2)具体研究了PCI Express端点各层次的实现方法,具体设计了各层次的模块功能,并通过编写RTL编码,设计实现了单方向2.5Gb/s的发送和接收速率,同时实现了事务层的流控制协议、数据链路层的Ack/Nak链路传输协议和物理层的链路训练和初始化功能,从而保证了数据的正确传输,完成了整个系统功能的设计。(3)对整个设计进行了验证,在Modelsim SE 6.5平台上对基于FPGA设计的各子模块进行了功能验证,并运行整个系统进行功能仿真,从而验证了本设计所有的逻辑与功能；并对设计进行了时序验证,通过分析设计的关键路径,找出了时序违例的原因,并通过时序约束与时序优化两种方法使设计满足了时序的要求。同时对设计进行了硬件验证,经测试设计满足了2.5Gb/s的数据传输速率。
【关键词】：PCI Express协议 高速数据传输 总线 FPGA
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP334.7
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-14
• 1.1 课题的研究背景与意义10
• 1.2 高速数据交换技术的国内外发展现状10-12
• 1.3 论文的主要内容12-14
• 第2章 PCI Express总线研究14-28
• 2.1 PCI Express系统结构14-16
• 2.2 PCI Express层次结构16-17
• 2.3 事务层协议17-21
• 2.3.1 事务层包的结构17-19
• 2.3.2 路由方式19-20
• 2.3.3 流控制协议20-21
• 2.4 数据链路层协议21-25
• 2.4.1 数据链路层包的结构22-23
• 2.4.2 Ack/Nak协议23-25
• 2.5 物理层协议25-27
• 2.5.1 数据包结构25
• 2.5.2 乱序原则25-26
• 2.5.3 8b/10b编码协议26-27
• 2.6 本章小结27-28
• 第3章 PCI Express接口模块设计28-59
• 3.1 系统时钟设计28-30
• 3.2 物理层协议设计30-41
• 3.2.1 Rocket IO GTP收发器原理31-32
• 3.2.2 数据传输设计32-38
• 3.2.3 链路训练和状态机38-41
• 3.3 数据链路层协议设计41-49
• 3.3.1 数据包发送模块设计41-43
• 3.3.2 数据包接收模块设计43-45
• 3.3.3 Ack/Nak链路传输协议设计45-48
• 3.3.4 数据链路控制与管理状态机设计48-49
• 3.4 事务层协议设计49-58
• 3.4.1 事务包发送模块设计50-52
• 3.4.2 事务包接收模块设计52-55
• 3.4.3 配置空间功能设计55-56
• 3.4.4 流控制协议设计56-58
• 3.5 本章小结58-59
• 第4章 PCI Express接口模块的仿真验证及优化59-73
• 4.1 PCI Express功能仿真59-64
• 4.1.1 验证环境59-60
• 4.1.2 仿真结果60-64
• 4.2 PCI Express时序分析64-69
• 4.2.1 静态时序分析原理64-65
• 4.2.2 时序约束设计65-67
• 4.2.3 时序优化67-69
• 4.3 下板测试验证69-72
• 4.4 本章小结72-73
• 总结73-75
• 参考文献75-78
• 致谢78-79
• 作者简介79

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