XILINX PCIE IP核详解、FPGA实现及仿真全流程（Virtex-7 FPGA Gen3 Integrated Block for PCI Express v4.3）

Ne0inhk

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XILINX PCIE IP核详解、FPGA实现及仿真全流程（Virtex-7 FPGA Gen3 Integrated Block for PCI Express v4.3）

一、XILINX几种IP核区别

        传统系列芯片

IP核名称核心特点用户接口开发难度适用场景
7 Series Integrated Block for PCI Express最基础的PCIe硬核，提供物理层和数据链路层AXI4-Stream TLP包最高，需处理TLP包需深度定制PCIe通信，对资源敏感的项目
AXI Memory Mapped To PCI Express桥接IP，将PCIe接口转换为AXI接口AXI4内存映射中等，类似操作总线FPGA需主动读写主机内存，平衡效率与灵活性
DMA/Bridge Subsystem for PCI Express (XDMA)集成DMA引擎，提供"一站式"解决方案AXI4 (另有AXI-Lite等辅助接口)最低，官方提供驱动高速数据批量传输（如采集卡），追求开发效率

        注意：

        1.硬件平台限制：不同系列的Xilinx FPGA（如7系列、UltraScale、Versal）支持的PCIe代数和通道数可能不同。在选择IP核前，请务必确认您的FPGA型号是否支持所需的PCIe配置（如Gen3 x8）。

        2.资源与性能权衡：XDMA虽然易用，但会消耗更多的FPGA逻辑资源。在资源紧张的设计中需要仔细评估。

        3.驱动与系统集成：使用XDMA或AXI Memory Mapped IP时，通常需要配合驱动。XDMA虽有官方驱动，但据反馈在某些版本下可能存在一些小问题，需要留意。

二、PCIE介绍及使用

（一）版本说明

        工具：vivado2016.4

        芯片：xc7vx690tffg1157-2

        PCIE：Virtex-7 FPGA Gen3 Integrated Block for PCI Express v4.3（前面介绍的7 Series Integrated Block for PCI Express比较老）

（二）数据信号区别

（1）哪几组

        分为四组如下：

        s_axis_rq_tdata
        s_axis_rq_tuser

        m_axis_rc_tdata
        m_axis_rc_tuser

        m_axis_cq_tdata
        m_axis_cq_tuser

        s_axis_cc_tdata
        s_axis_cc_tuser

（2）都是啥

1）举例说明

        举个例子，PC传输一组波形数据到fpga，并且告诉FPGA将波形数据从DAC发出去，同时将发出去的信号用ADC采集回来通过FPGA传输给PC。这个系统包含三个主要功能：
        1.  PC → FPGA：传输DAC波形数据
        2.  FPGA：控制DAC输出并同步ADC采集
        3.  FPGA → PC：上传ADC采集数据

阶段一：PC传输波形数据和命令到FPGA

        使用接口： m_axis_cq_tdata, m_axis_cq_tuser

        过程：

        1.命令下发：

// PC写FPGA的命令寄存器 // m_axis_cq_tdata: MWr TLP，地址=命令寄存器，数据=START_DAC // m_axis_cq_tuser: bar_id=0, addr=0x1000(命令寄存器地址)

        2.波形数据传输：

// PC连续写FPGA的波形缓冲区 // m_axis_cq_tdata: MWr TLP，地址=波形缓冲区，数据=波形样本 // m_axis_cq_tuser: bar_id=1, addr=波形缓冲区偏移地址

        3.FPGA侧处理：

always @(posedge clk) begin if (m_axis_cq_tvalid && m_axis_cq_tready) begin // 解析TLP头，判断是命令还是数据 case (m_axis_cq_tuser[84:80]) // bar_id 5'b00000: cmd_reg <= m_axis_cq_tdata[31:0]; // 命令寄存器 5'b00001: wave_buffer[write_addr] <= m_axis_cq_tdata; // 波形数据 endcase end end

阶段二：FPGA执行DAC输出和ADC采集

        FPGA内部逻辑：

// DAC控制状态机 always @(posedge clk) begin case (state) IDLE: if (cmd_reg == START_DAC) state <= PLAY_WAVE; PLAY_WAVE: dac_data <= wave_buffer[read_addr]; read_addr <= read_addr + 1; if (read_addr == WAVE_LENGTH) state <= IDLE; endcase end // 同步ADC采集 always @(posedge clk) begin if (dac_valid) begin // 与DAC输出同步 adc_buffer[write_adc_addr] <= adc_data; write_adc_addr <= write_adc_addr + 1; end end

阶段三：FPGA上传采集数据到PC

        使用接口： s_axis_rq_tdata, s_axis_rq_tuser

        过程：

        1.DMA传输准备：

// PC预先通过配置寄存器告诉FPGA主机内存的物理地址 // m_axis_cq_tdata: MWr TLP，地址=DMA目标地址寄存器

        2.采集数据上传：

// FPGA发起存储器写请求 // s_axis_rq_tdata: MWr TLP，地址=主机内存，数据=ADC采集数据 // s_axis_rq_tuser: sop=1/0, eop=1/0, bar_id=0

        3.FPGA侧DMA引擎：

// DMA状态机 always @(posedge clk) begin if (dma_start && s_axis_rq_tready) begin s_axis_rq_tvalid <= 1'b1; s_axis_rq_tdata <= {tlp_header, adc_buffer[dma_addr]}; s_axis_rq_tuser <= {sop, eop, 3'b000}; // bar_id=0 if (eop) dma_addr <= 0; else dma_addr <= dma_addr + 1; end end
2）8个数据链路的使用分析

        

        

        

3）哪些是必要的

        必须使用的4个核心链路：

        m_axis_cq_tdata/user：下行通道，接收命令和波形数据

        s_axis_rq_tdata/user：上行通道，上传采集数据

        推荐使用的2个辅助链路：

        s_axis_cc_tdata/user：状态查询响应

        可以暂不使用的2个链路：

        m_axis_rc_tdata/user：留作未来功能扩展

4）tuser到底是个啥

        以下行通道为例：

        当FPGA接收来自PC的命令和波形数据时，m_axis_cq_tuser提供了解析TLP包所需的全部元数据。

i.  主要字段详解：
// m_axis_cq_tuser 结构 (位宽因IP核版本而异，通常~180bit) { // 1. 包边界控制 (最重要的字段) sop, // [0] Start of Packet - TLP开始 eop, // [1] End of Packet - TLP结束 // 2. 地址空间识别 bar_id, // [5:0] 来自哪个BAR空间 bar_hit, // [6:0] BAR命中指示 // 3. 字节级控制 first_be, // [3:0] 第一个DW的字节使能 last_be, // [3:0] 最后一个DW的字节使能 // 4. 传输控制 discontinue, // 提前终止指示 tkeep, // 字节有效掩码 (独立信号，有时在tuser中) // 5. 事务信息 is_sop0_ptr, // SOP0指针 is_sop1_ptr, // SOP1指针 // 6. 错误和状态 err, // 错误指示 parity // 奇偶校验 }
ii.  实际应用示例：
// 解析主机写请求的Verilog代码片段 always @(posedge clk) begin if (m_axis_cq_tvalid && m_axis_cq_tready) begin // 检查TLP包开始 if (m_axis_cq_tuser[0]) begin // sop=1 // 解析BAR空间，决定数据路由 case (m_axis_cq_tuser[5:3]) // bar_id部分位 3'b000: begin // BAR0 - 命令寄存器 cmd_address <= m_axis_cq_tdata[63:32]; current_transfer <= COMMAND; end 3'b001: begin // BAR1 - 波形数据缓冲区 wave_address <= m_axis_cq_tdata[63:32]; current_transfer <= WAVE_DATA; end endcase // 保存字节使能信息 first_byte_enable <= m_axis_cq_tuser[15:12]; end // 处理数据 if (current_transfer == WAVE_DATA) begin // 根据byte_enable处理数据 process_wave_data(m_axis_cq_tdata, m_axis_cq_tuser[15:12], // first_be m_axis_cq_tuser[19:16]);// last_be end // 检查TLP包结束 if (m_axis_cq_tuser[1]) begin // eop=1 current_transfer <= IDLE; generate_completion_if_needed(); end end end
iii.  关键字段应用场景

        

iiii.  重要注意事项

        1.位宽变化：不同Xilinx IP核版本和PCIe配置下，tuser信号的位宽和字段位置可能不同。

        2.文档参考：必须查阅对应的PG195或PG213文档获取确切格式。

        3.字节序：注意PCIe的小端字节序，数据在总线上可能需要重新排列。

        4.对齐要求：first_be/last_be用于处理非双字对齐的访问。

三、IP如何配置

（一）配置参数

        由于是仿真，基本都是默认。

（二）配置完成

四、仿真

        Open IP Example design......Run Simulation......Run Behavioral Simulation，注意：180多us才出结果。

五、参考

        7 Series FPGAs Integrated Block for PCI Express IP核基本模式配置详解

        Virtex-7 FPGA Gen3 Integrated Block for PCI Express v4.3 Product Guide (PG023)

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