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PCIe数据采集系统详解

news 来源：原创 2025/5/17 5:40:42

PCIe数据采集系统详解

在上篇文章中，废了老大劲儿我们写出了PCIe数据采集系统；其中各个模块各司其职，相互配合。完成了从数据采集到高速存储到DDR3的全过程。今天我们呢就来详细讲解他们之间的关系？以及各个模块的关键点？他们到底是怎么协同工作的？

总体模块图

各模块关键点

1. 在第一个时钟管理模块

有用到：差分时钟缓冲器，MMCM，全局时钟缓冲器

差分时钟缓冲器将PCIe的差分信号转换为单端信号展示，输出但不单列；

MMCM产生 pcie_user_clk_bufg 和 ddr3_user_clk_bufg ，同时产生 pll_locked锁存；

全局时钟缓冲器将pcie_user_clk_bufg 和 ddr3_user_clk_bufg原语应用于全局网络并输出相应信号；

2.在第二个系统控制模块

其主要目的是实现将异步复位信号同步，输出三个复位信号（系统，PCIe，DDR3；均使用了两个同步寄存器打拍同时配合PLL锁存信号）优势有以下：

消除亚稳态风险，提高系统稳定性。
简化时序分析，降低设计实现难度。
精确控制复位释放时序，确保多时钟域系统协调工作。
增强抗干扰能力，避免复位毛刺引发的问题。

在该模块体现为：确保 PCIe 模块在其专用时钟（pcie_user_clk）稳定后同步释放复位，避免 PCIe 链路初始化错误；控制 DDR3 控制器的复位时序，配合 DDR3 初始化校准流程（init_calib_complete信号），确保内存控制器正确启动。

并且该模块输入一些系统标志如：pcie_perst_n（PCIe物理层复位）；init_calib_complete（DDR3初始化完成标志）等，以供相应模块使用，在本系统控制模块未处理，但是经由属于系统的控制部分所以列出。

接收系统状态和错误标志，通过 LED 实时显示

3.第三个PCIe模块

出现了user_clk(125M)user_clk(125M）user_clk(125M）use从r_clk(125M

必须与第一个时钟管理模块进行区分的是：pcie_user_clk(125M);

pcie_user_clk 是系统为 PCIe 模块提供的时钟源。
user_clk 是 PCIe IP 核向用户逻辑输出的同步时钟，确保数据在用户逻辑和 PCIe 之间正确传输。
user_clk的特殊作用：PCIe IP 核内部会根据链路状态（如 Gen1/Gen2/Gen3）动态调整时钟相位和频率。user_clk是 IP 核内部同步后的时钟，确保与 PCIe 事务时序（非事务层）严格对齐。

PCIe 端点模块的内部结构: PCIe 端点 IP 核通常包含：

物理层（PHY）：处理电气信号，使用参考时钟（如 100MHz 差分时钟）。
链路层 / 事务层：处理 TLP（事务层包），使用系统提供的pcie_user_clk。
用户接口：提供与用户逻辑通信的时钟（即user_clk）。

在该模块中，输入的是差分信号与复位信号；主要输出用户时钟，MMIO接口与链路完成标志。

数据通道采用 128 位宽接口（PCIe Gen2 标准），带字节使能控制；

    // 参数定义：PCIe基地址寄存器(BAR)大小parameter BAR0_SIZE = 16'h1000;   // 4KBparameter BAR1_SIZE = 16'h4000;   // 16KB// 内部信号wire        pcie_clk;             // PCIe时钟wire        pcie_rst_n;           // PCIe复位 (低有效)wire [63:0] cfg_dw0, cfg_dw1, cfg_dw2, cfg_dw3; // 配置空间数据字

BAR 寄存器：定义 PCIe 配置空间中内存映射区域的大小
配置空间：PCIe 设备通过 64 字节配置空间向主机暴露参数

PCIe 设备通过一个256 字节的配置空间向主机暴露自身参数，类似一个 "设备档案"。
主机通过读取这个空间了解设备信息（如厂商、功能、支持的 BAR 数量等），并配置设备行为。

前 64 字节（标准头）：所有 PCIe 设备必须实现，包含通用信息
- 设备标识：Vendor ID、Device ID、Class Code 等
- 基地址寄存器 (BAR)：定义设备可访问的内存 / IO 空间，存储主机分配给设备的基地址
- 中断配置：IRQ 线、MSI/MSI-X 支持
后 192 字节：可选扩展区域，用于高级功能（如 PCIe 能力结构）

为什么需要 BAR？

地址解耦：设备无需预先知道主机分配的地址，通过 BAR 动态映射
资源管理：主机可根据系统情况灵活分配地址空间
多设备共存：多个 PCIe 设备可共享同一地址空间，通过 BAR 区分
安全隔离：主机可限制设备访问的地址范围，提高系统安全性

同时在MMIO控制器例化部分，实现了将 PCIe 事务转换为 FPGA 内部存储器读写操作（存储器映射）

PCIe 初始化流程详解

PCIe 设备初始化需要完成复杂的状态转换，代码中的状态机对应以下关键阶段：

复位阶段 (INIT_RESET)
- 等待系统复位释放
- 初始化内部计数器和标志位
链路训练阶段 (INIT_WAIT_LT)
- 监测link_up信号，确认物理层连接建立
- 超时处理防止链路训练失败导致的死锁
数据链路层初始化 (INIT_WAIT_DLL)
- 等待数据链路层锁定（dll_up信号）
- 建立可靠的数据传输通道
进入 L0 工作状态 (INIT_WAIT_L0)
- 确认 LTSSM 状态机进入 L0 状态（正常工作状态）
- 完成 PCIe 初始化的最后阶段
初始化完成 (INIT_COMPLETE)
- 设置pcie_init_done标志，通知系统 PCIe 链路就绪
- 持续监测链路状态，确保连接稳定

4.第四个MMIO控制器模块

输入了MMIO数据/地址，实现了 PCIe 总线与 FPGA 内部逻辑之间的 MMIO (存储器映射 I/O) 控制器，负责解析 PCIe 事务层包 (TLP) 并转换为内部寄存器访问。

在该模块编写中，就是使用了正常的always逻辑进行数据的解析打包与传输，没有任何技巧（简化了设计），同时定义了两个内存映射区域的基地址；提供了基础的 PCIe 到内部寄存器的映射功能，但缺少：

完整的TLP解析逻辑，BAR地址范围审查，背压机制（发送通道就绪时才能接收新数据），同时MMIO的错误清楚机制并没有撰写；后续可根据具体的项目要求改进。

示例代码如下：

module mmio_controller (input       clk,            // 用户时钟 (125MHz)input       reset_n,        // 复位信号// PCIe数据通道input [127:0] rx_data,      // 接收数据input [15:0]  rx_be,        // 接收字节使能input         rx_valid,     // 接收数据有效output        rx_ready,     // 接收准备好// 省略其他接口...// 新增错误处理接口input  [7:0]  error_flags,  // 外部错误标志输入output        mmio_clear_error, // 清除错误命令output [7:0]  active_errors // 当前活跃错误
);// 寄存器地址定义localparam ERROR_STATUS_REG = 32'h0000_0004; // 错误状态寄存器localparam ERROR_CLEAR_REG  = 32'h0000_0008; // 错误清除寄存器// 内部信号reg [31:0] mmio_addr_reg;reg        mmio_rd_reg, mmio_wr_reg;reg [127:0] mmio_wdata_reg;reg [7:0]   error_status;  // 错误状态寄存器reg         clear_error_cmd; // 清除错误命令暂存// 错误状态更新always @(posedge clk or negedge reset_n) beginif (!reset_n) beginerror_status <= 8'h00;end else begin// 错误标志可以被设置，但只能通过写清除寄存器清除error_status <= error_status | error_flags;// 处理错误清除命令if (mmio_wr_reg && (mmio_addr_reg == ERROR_CLEAR_REG)) beginerror_status <= error_status & (~mmio_wdata_reg[7:0]);endendend// 地址解码增强always @(posedge clk or negedge reset_n) beginif (!reset_n) beginmmio_addr_reg <= 0;mmio_rd_reg <= 0;mmio_wr_reg <= 0;mmio_wdata_reg <= 0;clear_error_cmd <= 0;end else if (rx_valid) begin// 解析PCIe接收数据中的MMIO地址和命令mmio_addr_reg <= rx_data[31:0];mmio_wdata_reg <= rx_data[127:32];mmio_rd_reg <= rx_data[128];mmio_wr_reg <= rx_data[129];// 检测错误清除命令clear_error_cmd <= mmio_wr_reg && (mmio_addr_reg == ERROR_CLEAR_REG);endend// 输出错误清除信号（脉冲有效）assign mmio_clear_error = clear_error_cmd;// 输出当前活跃错误assign active_errors = error_status;// 其他代码保持不变...
endmodule