小阿里板卡AS02MC04开发教程【第三篇】—— PCIE 3.0 x8接口开发与测速验证

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本文将从PCIe基础理论、XDMA原理、详细工程设计方案到上板调试验证等多个角度进行深入探讨，旨在为广大工程师提供一套完整的参考。

1.前言–FPGA高速互联的必由之路

在人工智能、大数据处理等新兴技术驱动下，现代计算架构对数据传输带宽的需求呈指数级增长。传统基于以太网的通信方式（1G/10G）已难以满足FPGA与主机间海量数据交互需求。PCI Express（PCIe）作为一种高速串行总线技术已广泛应用于数据中心、通信、图像处理等领域。

通过 小阿里板卡AS02MC04 上的 PCIE 3.0 x8接口，我们可以实现与外部设备的高速数据交换。为了验证该接口的正常工作，我们将通过 QT测速程序 来测试PCIE带宽和性能，确保数据传输的可靠性与稳定性。

本文将介绍如何在 小阿里板卡AS02MC04 上配置PCIE接口，并使用QT测速程序进行功能验证。以基于XDMA IP的PCIe通信系统为核心，针对数据传输速率测速这一关键功能，结合QT上位机设计，完成了一整套从硬件设计到软件调试的实现流程。

选择XDMA的原因在于它能够将PCIe数据传输的复杂性抽象化，使得FPGA设计者可以专注于系统功能开发，而无需过多关注低层数据传输细节。此外，基于XDMA的设计在驱动开发、上位机数据采集和显示方面均具有较大的优势，为后续的功能扩展和系统优化提供了极好的平台。

对于从事嵌入式系统、高速数据处理或PCIe接口应用开发的工程师来说，本方案既有理论深度，也具备实践价值。

2.PCIe基础知识及带宽计算

在进入具体工程设计前，我们先对PCIe的基本原理、体系结构以及带宽计算方法做一个全面的回顾，以便在后续设计中对系统性能有一个准确的把握。

PCIe架构简介

PCI Express（PCIe）是一种采用串行通信的高速总线标准，其核心特点包括：

点对点通信： 每个设备均通过独立的通道直接与主机进行通信，有效避免了传统总线中共享资源带来的瓶颈问题。
分层架构： PCIe协议被分为事务层、数据链路层和物理层。事务层负责数据的封装和解封装，数据链路层提供数据传输的可靠性，而物理层则实现高速串行数据传输。
灵活的通道配置： 根据实际应用需求，PCIe可支持x1、x4、x8、x16等多种通道配置，灵活适应不同带宽需求的系统。

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PCIe传输速率与带宽计算方法

PCIe传输速率通常以每通道每秒传输的比特数来衡量，不同代际的PCIe标准传输速率各不相同。以下是主要计算方法：

原始传输速率：
- PCIe Gen1：2.5 GT/s
- PCIe Gen2：5 GT/s
- PCIe Gen3：8 GT/s
- PCIe Gen4：16 GT/s或更高
编码方式与效率：
- Gen1和Gen2使用8b/10b编码（效率80%）
- Gen3及之后采用128b/130b编码（效率约98.5%）
有效带宽计算公式：
有效带宽=传输速率×编码效率×通道数

例如，在PCIe Gen3下，x8通道的理论带宽计算为：

8GT/s × 0.985 × 8 ≈ 63.04Gb/s

注意：此计算为理论值，实际应用中还需考虑协议开销、链路延迟以及系统调度等影响因素。

其他影响因素：
- 链路训练： 设备上电后必须完成链路训练，确保主机和设备双方的参数一致。
- 系统延迟： 包括PCIe交换机、桥接芯片的延迟以及操作系统调度带来的额外时间。

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对PCIe基础知识和带宽计算方法的深入理解，为后续在FPGA上实现高性能数据传输系统提供了坚实的理论基础。

3.XDMA介绍

在传统的PCIe数据传输中，软件通过轮询或中断的方式进行数据读写，存在效率低下的问题。而XDMA（Xilinx DMA）IP正是为解决这一问题而设计的，它能够大幅度提高数据传输效率，简化系统开发流程。

XDMA工作原理

XDMA是一款专为FPGA与主机之间高速数据传输设计的DMA控制器，其主要工作原理包括：

直接内存访问（DMA）： 通过硬件直接完成主机内存与FPGA内部存储器之间的数据搬移，避免了频繁的CPU介入，从而大幅降低系统延迟。
双向传输支持： 同时支持主机写入FPGA和FPGA读取主机数据的双向数据传输，满足多种应用场景需求。
协议转换与封装： 内置PCIe协议解析模块，将事务层、数据链路层及物理层的细节封装于内部，使开发者可以专注于上层逻辑设计。
高效缓冲管理： 提供灵活的多通道缓冲区管理和中断控制，保证数据传输过程中高速数据流的稳定搬移。

XDMA在PCIe系统中的优势

采用XDMA IP能为PCIe通信系统带来显著优势：

降低开发难度： 将复杂的PCIe协议处理封装在IP内部，开发者只需关注数据逻辑和应用层实现。
提高数据传输效率： 利用DMA方式实现数据搬移，减少CPU负担，从而提高整体系统的响应速度和传输吞吐量。
跨平台支持： XDMA IP可在Windows和Linux平台下使用，提供统一的驱动接口，便于系统集成与应用开发。
高稳定性： XDMA IP经过多次工业应用验证，能够在高负载环境下保持长时间稳定运行，为关键应用提供坚实保障。

通过对XDMA工作原理和优势的详细剖析，可以看出其在高速数据传输系统中具有不可替代的作用，为实现更高效、稳定的PCIe通信系统提供了技术保障。

4.工程详细设计方案

本章节详细介绍 小阿里板卡AS02MC04 和PCIe3.0 x8接口的系统设计方案，从硬件平台选择、总体架构设计到FPGA IP核配置、驱动安装、上位机开发环境搭建以及QT测速功能实现，全方位展示了项目实现的全过程。

4.1 小阿里板卡AS02MC04 简介

选用的小阿里板卡AS02MC04主要具备以下特点：

高速FPGA芯片： 集成Xilinx Kintex Ultrascale+系列FPGA，拥有丰富的逻辑资源和高速收发器，能够满足PCIe高速数据传输需求。
丰富的接口资源： 板载PCIe3.0 x8接口提供充足带宽，同时预留多种I/O接口，便于后续功能扩展。
工业级稳定性： 经过多次工业应用验证，在高温、振动等复杂环境下均能稳定运行，是高可靠性系统设计的理想选择。

4.2 系统总体架构设计

系统整体架构主要分为以下几个模块：

FPGA端模块： 包括XDMA IP、DDR3 MIG及用户自定义逻辑模块，用于数据处理和高速传输。内部采用AXI总线连接各子模块，确保数据通畅流转。
驱动层模块： 针对XDMA IP设计的驱动程序，支持Windows和Linux平台，负责PCIe链路初始化、DMA数据管理以及中断处理。
上位机软件模块： 基于Visual Studio 2015和QT 5.9.7开发，实现实时显示、测速计算等功能，方便用户对系统状态进行监控和调试。

4.2.1 FPGA程序设计

在FPGA设计过程中，主要涉及XDMA IP核和BD的配置与调试：

BD总体设计框图如下：
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4.2.2 驱动安装与配置（Windows/Linux）

基于XDMA的系统需要在操作系统上安装并配置对应的驱动程序，本文只介绍Windows平台下的安装配置步骤和调试方法，Linux类似。

Windows平台驱动安装

开发环境： 使用Visual Studio 2015进行驱动代码编译。
安装步骤：
1. 下载并解压驱动源码包；
2. 在VS2015中打开驱动解决方案，并配置工程参数（包括编译模式和目标平台）；
3. 编译生成驱动文件，通过设备管理器进行安装；
4. 根据需要配置注册表及系统权限，确保驱动正确加载。
调试方法：
- 结合系统日志和调试工具（如WinDbg）对驱动进行故障排查；
- 通过XDMA提供的调试接口输出关键数据，辅助问题定位。
建议直接使用本文提供的编译生成好的驱动文件，如下图所示：

驱动安装成功与设备识别后，打开计算机管理，如下图所示：
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需要注意：
a. 由于 Xilinx 提供的 XDMA 驱动程序未经过数字认证签名，而是使用测试签名，所以我们还需要在Windows 系统中开启允许加载已进行测试签名的驱动程序，以便启用此驱动程序的安装，否则安装不了XDMA 的驱动。

b. 下载或烧写PCIe 相关的bit 文件后需要重启电脑才能识别或驱动PCIe 设备。

4.2.3 上位机开发环境与QT测速功能实现

上位机软件作为系统与用户直接交互的界面，实现了对数据传输状态的实时监控和测速功能。本项目选用了Visual Studio 2015和QT 5.9.7作为开发工具，具体设计包括：

a. 上位机界面设计

界面原型： 利用QT Designer设计主界面，包括实时显示区域、图表绘制窗口。
响应式布局： 采用自适应布局技术，保证在不同分辨率下均能良好显示。

b. 通信协议与数据交互

接口封装： 基于XDMA驱动提供的接口，实现上位机与FPGA之间的高速数据交互。

c. 数据处理与测速算法

数据解析： 对接收到的数据流进行格式解析，并提取关键测速信息；
实时计算： 实时计算数据传输速率，确保测速数据准确、平滑；
图表显示： 利用QT图表控件将实时测速数据显示为表盘，直观展示系统性能。

d. 工程源码架构

工程源码按照功能模块进行划分，主要目录结构如下：

各模块通过明确定义的接口进行数据交互，既保证了系统整体协调性，也便于后续模块的独立更新和功能扩展。

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e.上板调试验证

在完成系统设计与开发后，上板调试是验证整个系统设计正确性和实际性能的重要环节。下面介绍详细的调试验证流程及常见问题的解决方案。开发板连接如下图所示：
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烧写bit文件后，重启电脑，进行如下测试验证：

硬件调试与验证流程

XDMA连接测试：

进入解压后的驱动文件的bin目录下，里面包含一些使用XDMA驱动程序的基本应用程序如下图所示并执行其中的应用程序的方式是在该文件窗口中：
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在打开的Powershell窗口中输入下面命令：

 ./xdma_test.exe

执行结果如下图所示：执行结果可以看到， XDMA 使用的是 AXI-MM 接口模式，使用的是4通道的 h2c 和 c2h，在每个 h2c和 c2h 通道上传输 4096 字节的数据并验证数据是匹配的。从 xdma_test 的检测结果和读写测试中可以知道我们设计的 XDMA Vivado 工程是没有问题的。
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测试写RAM里面的数据
在打开的Powershell窗口中输入下面命令：

.\xdma_rw.exe h2c_0 write 0x00000000 -b -f datafile4K.bin -l 4096

该命令以二进制的形式读取文件 datafile4k.bin 并通过 h2c_0 通道将其前 4096 字节（对于 datafile4k.bin文件而言是整个文件数据）数据写入到 DDR 内存地址 0x00000000。执行结果如下图所示：
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测试读RAM里面的数据
在打开的Powershell窗口中输入下面命令：

.\xdma_rw.exe c2h_0 read 0x00000000 -b -f datafile4K_rd.bin -l 4096

该命令以二进制的形式创建并打开文件 datafile4k_rd.bin 文件，通过 c2h_0 通道从 DDR 内存地址0x00000000 中读取 4096 字节数据写入到 datafile4k_rd.bin 文件。
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如上图用16进制打开之后，就是刚刚在数据输入模块写入的数据，测试结果没问题，说明此工程从RAM -->PCIE 没问题。

上位机测速验证：
- 运行QT测速上位机，实时显示数据传输速率及系统状态；
- 进行长时间稳定性测试。

上位机测试的读写速度如下：
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可见PCIE读速度可达5152MB/s左右，PCIe写速度可达5400MB/s左右，满足要求。

6. 下一篇预告：SFP25G接口开发

在下一篇文章中，我们将深入探讨如何在小阿里板卡AS02MC04 上配置和使用 SFP25G接口，实现高速数据传输。我们将介绍如何通过FPGA与外部设备建立高速光纤通信连接，并进行性能验证。

总结与展望

本文详细介绍了基于XDMA的PCIe通信系统方案及QT测速功能实现的全流程设计。从PCIe理论基础、XDMA工作原理到具体工程实现，整个项目均经过严格的设计、调试与验证，主要总结如下：

系统优势：
- 采用PCIe高速串行传输技术和XDMA IP，实现了高效、低延迟的数据搬移。
- 利用小阿里板卡AS02MC04和PCIe3.0 x8接口，确保了足够的带宽和稳定性。
- 上位机采用QT实现实时数据监控和测速，界面直观、交互友好。
开发便捷性：
- 将复杂的PCIe协议处理封装于IP内部，大大降低了开发难度。
- 驱动程序同时支持Windows和Linux平台，便于跨平台应用开发。
- 系统架构模块化设计，便于后续功能扩展和升级。
未来展望：
- 扩展系统功能，增加数据处理算法和智能监控指标。
- 探索PCIe Gen3及更新标准的实现，为未来更高速数据传输提供支持。