Xilinx PCIe高速接口入门实战（四）

引言：本文介绍PCIe IP核时钟结构、PCIe板卡时钟方案及复位设计相关内容。

1. PCIe IP核时钟

图1以 Kintex 7 Gen2×8为例，显示了PCIe集成块时钟结构框图。

图1：PCIe  IP核时钟结构框图

集成块输入系统时钟信号称为sys_clk，该时钟频率必须为100MHz、125MHz或250MHz。使用的时钟频率必须与Vivado IDE中的时钟频率选择相匹配。

1.1 同步和非同步时钟 

有两种方法可以为PCI Express系统提供时钟： 

●使用同步时钟，即所有设备都使用共享时钟源。 

●使用非同步时钟，每个设备都有自己的时钟源。  

建议：推荐使用核心时使用同步时钟。由于所提供的参考时钟的特性，所有附加卡设计都必须使用同步时钟。对于使用插槽时钟的设备，必须在Vivado IDE中启用链路状态寄存器中的插槽时钟配置设置。

图2：嵌入式系统使用100 MHz参考时钟

图3：嵌入式系统使用125/250MHz参考时钟

对于同步时钟系统，每个链路伙伴设备共享相同的时钟源。图2和图3显示了使用100MHz参考时钟的嵌入式系统。当使用125MHz或250MHz参考时钟选项时，必须使用外部PLL进行5/4和5/2的乘法，将100MHz时钟分别转换为125 MHz和250 MHz。此外，即使设备是嵌入式系统的一部分，如果系统使用商用PCIe根复合体或交换机以及典型的主板时钟方案，仍应使用同步时钟。 

图4、图5显示了典型PCIe附加卡时钟设计方案。

图4：使用100 MHz参考时钟的开放系统附加卡

图5：使用125/250 MHz参考时钟的开放系统附加卡

图6：XC7K325T-FFG900芯片PCIe×8设计

2. PCIe IP核复位

PCIe IP核使用sys_rst_n复位系统，它是异步、低有效复位信号。插入此信号会导致整个IP核（包括GTX收发器）的硬复位。复位解除后，IP核试图连接训练并恢复正常运行。在典型的端点应用程序中，例如附加卡，通常存在边带（sideband）复位信号，应将其连接到sys_rst_n。对于没有边带系统复位信号的端点应用，应在本地生成初始硬件复位。PCI Express中可能发生三个重置事件：

●冷复位（cold reset）：在通电时发生的上电复位，信号sys_rst_n被插入会导致IP核的冷复位；  

●热复位（warm reset）：由硬件触发的基本复位，无需移除和重新施加电源。sys_rst_n信号被插入以导致内核的热复位； 

●热复位（hot reset）：通过协议在PCIe链路上带内发送复位，在这种情况下，不使用sys_rst_n。在该复位的情况下，接收到的_Hot_Reset信号被断言以指示复位的来源。

IP核的用户应用程序界面有一个名为user_reset_out的输出信号。此信号相对于user_clk_out同步停用。信号user_reset_out在以下任何一种情况下都会被断言： 

●基本复位：由于sys_rst_n的断言而发生（冷或热）； 

●IP核内的PLL：失锁，表明时钟输入的稳定性存在问题；

●收发器PLL锁定丢失：任何收发器都失去锁定，表明PCIe链路存在问题。 

在上述所有条件得到解决后，user_reset_out信号与user_clk_out同步解除，允许IP核尝试训练并恢复正常运行。

需要注意的是：根据PCIe电气规范设计的系统提供边带复位信号使用3.3V信号电平，当该信号接入FPGA IO接口时，要考虑电平兼容性问题，如图7所示，显示了来自系统提供的+3.3V边带复位信号PCIE_PERST与FPGA DDR Bank互联时，需将电平转换为+1.5V。

图7：系统提供的+3.3V边带复位信号互联设计