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Qsys创建ALTERAPCIe

2016-05-06 15:20阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/2149161187

概述
使用Qsys快速创建一个基于Avalon-MM流程的PCI-e设计，尽量通过手把手以step-by-step的方式展现使用Qsys进行关于pcie的Quartus II工程的创建过程。这里使用Qsys系统时候没有使用到任何软核或者硬核。
项目设计介绍
这里以一个简单的pcie工程进行介绍，该pcie实例属于PCI Express endpoint，如图1所示为该端点在PCIe系统架构中的示意图。
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图1：PCIe系统架构举例
我们的设计就是位于图1所示的“Custom Endpoint”位置，它的框图如图2所示，我们这里以Cyclone IV GX器件为例来进行实例演示，从图中我们可以看到该实例具体包含了以下一些模块:
l PCIE硬核，实现了协议层。提供了PCIe链路和连接到Qsys里元件之间所有互连，例化硬核的时候自动使用GXB模块。
l DMA模块，在片内存储器和PCIe硬核之间传输数据。DMA的控制端口被映射到了PCIe的存储器空间，因为它可以被PCIe根端口控制而用于建立和配置数据
传输。
l 片内RAM模块，用于存储从PCIe链路接收来的数据和需要通过该链路发送的数据。和DMA一样，片内RAM模块也被映射到了PCIe的存储空间，所以可以被PCIe系统访问。
l Qsys互连，Qsys工具用于将FPGA内元件连接在一起的逻辑，这样有利于数据和命令它们之间传输。
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图2：Qsys PCIe端口框图
PCIe端点可以按照以下方式来使用：
l 从高速链路接收到PCIe写请求，然后将数据写入并保存到片内RAM中。
l 从高速链路接收到PCIe读请求，然后从片内RAM读出数据，并经PCIe链向请求方返回读出的数据。
l 从PCIe接收到DMA写或者读请求，然后DMA自动传输数据，数据传输结束后，DMA会向PCIe硬核触发一个中断请求。
注意上述DMA操作，只要启动，DMA可以从片内RAM读出数据并将其写入到PCIe硬核，PCIe将此操作转化为对系统其它地址空间的写请求。或者，DMA可以从PCIe硬核读数据，这个操作会被转化为向PCIe发送一个读请求，PCIe会返回数据和对应的完成包，这些数据被自动写入到片内RAM。
一步一步地完成设计
我们可以按照以下流程一步步地完成这个PCIe端点设计，首先第一步是创建Quartus II工程。
步骤一：创建Quartus II工程
1. 从电脑的开始菜单里启动Quartus II软件。
2. 从Quartus II软件的File菜单里选择“New Project Wizard”。
3. 当“Introduction”页面出现时，点击下一步。
4. 在新建工程的第一页，指定新建工程的路径、名称和顶层设计入口。
5. 在“What is the name of this project”下输入“civgx_gen1x4_qsys_top”来指定设计的顶层设计入口，如图3所示。
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图3：指定工程路径、名字以及设计顶层入口
6. 点击“Next”进入第一页。
7. 在第二页，即“Add Files”，可以点击 按钮找到存放源文件的目录，然后添加相应的源文件（由于一开始没有设计文件，也可以略过此步）。
a) 这里我们选择三个设计文件
i. civgx_gen1x4_qsys_top.v
ii. altgxb_rconfig.v
iii. gpll.v
b) 点击“Open”加入这些设计文件到工程
8. 同上一步，可以通过改变文件类型，我们可以给工程添加SDC文件。
9. 点击“Next”进入第三页。
10. 在第三页（Family & Device Settings），选择Cyclone IV GX
11. 指定器件具体型号，按一下方式滤出需要的器件型号
a) 选择FBGA封装
b) 选择672引脚数
c) 速度等级选择6
12. 最终选择EP4CGX50DF27C6，如图4所示。
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图4：为工程指定具体FPGA型号
13. 剩下使用默认设置，所以直接点击“Finish”完成工程创建
步骤二：启动Qsys工具
1. 从Quartus II工具菜单下选择“Qsys”打开Qsys工具，或者直接在Quartus II工具栏里点击 0.jpg 按钮打开。
这是Qsys工具开始打开并启动其初始化流程。
2. 移除系统默认添加的clk_0元件，在System Contents下高亮选中“clk_0”然后点击 0.jpg 按钮。
此时，我们有了一个空的Qsys系统，本例，时钟将由PCIe硬核产生，所以时钟源元件在这里是不需要的。
3. 从Qsys工具的File菜单下选择save as，在保存文件名设置为civgx_gen1x4_qsys，然后选择save。
步骤三：使用PCI Express IP Compiler加入PCIe硬核到系统
1. 在Qsys工具里找到Component Library，展开里面的Interface Protocol，然后找到PCI并展开，最后高亮选择“IP Compiler for PCI Express”，如图5所示。
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图5：添加PCIe硬核到系统
2. 如图5所示，点击Add开始添加PCIe硬核到系统，并启动PCIe参数编辑界面。
此时我们会看到一个名为“pcie_hard_ip_0”的模块被添加到了系统，同时IP_Compiler for PCI Express的参数编辑也被立即打开。PCIe硬核的所有参数设置都在这页界面可以找到，如果就算你对于PCIe协议不是很熟悉也没有关系，以下我们会详细介绍如何配置PCIe硬核。这时候忽略系统给出的任何错误，因为当我们连接PCIe硬核IP到系统时，这些错误都将会解决。
3. PCIe硬核通用配置，在PCIe参数编辑器里选择“System Settings”来进行与系统相关的设置，如图6所示。
a) 为“Lane”选择x4。
b) 为“Reference clock frequency”选择100MHz。
c) 为“Testout width”选择64bits。
d) 不勾选“Gen2 Lane Rate Mode”和“Enable 62.5MHz application clock”。
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图6：PCIe相关系统设置
4. 到“PCI Base Address Register(Type 0 Configuration Space)”区域安照图7所示，设置PCIe的基地址寄存器（BARs）。
a) 确认BAR0（第一行）设置为64 bit Prefetchable。
这时候BAR1显示为“1-Occupied”
b) 点击BAR2（第三行）的BAR Type区域，从下拉菜单里选择“32-bit Non-Prefechable”。
c) 保持BAR Size和Avalon Base Address区域为其默认值不变。
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图7：设置PCIe端点的BAR
如图7所示，这些设置用于控制链路如何产生针对内部Avalon-MM地址空间的PCIe事务，当使用Qsys工具时，图中这些BARSize和Avalon基地址列在设备连接的时候添加。
5. 为PCIe端点配置只读寄存器，在“Device Identification Register”框下按照图8所示，进行设置。
a) 为Vendor ID设置0x1172。
b) 为Device ID设置0xE001.
c) 为Revision ID设置0x01.
d) 为Class code设置0xFF0000.
e) 为Subsystem vendor ID设置0x1172.
f) 为Subsystem ID设置0x0004.
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图8：设置设备ID寄存器
6. “Link Capabilities”和“Error Reporting”保持默认设置。
7. “Buffer Configuration”按照图9所示进行设置。
a) 最大载荷尺寸（Maximum Payload Size），从下拉框里选择256字节。
b) “Desired performance for received requests”选择设置为“High”。
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图9：缓冲器配置
8. 到Avalon-MM Settings框下配置Avalon-MM接口，按照以下要求设置，设置的界面如图10所示。
a) 在“Peripheral Mode”下拉框下选择“Requester/Completer”。
b) 使能“Control Register Access（CRA） Avalon slave”端口选项。
c) 其它勾选项保持不使能状态。
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图10：设置Avalon-MM接口
9. 到“Address Translation”框下按照以下要求设置Avalon地址转换，设置好的界面如图11所示。
a) 为地址转换表配置选择动态转换表。
b) 地址页选择2.
c) 每页地址范围选择1MByte-20 bits。
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图11：Avalon地址转换配置
这些设置控制Avalon-MM到PCI Express的地址转换，意味着Qsys系统内部的数据传输是如何转换为PCI Express的请求的。由于地址转换设置为动态转换，所以IP_Compiler for PCI Express编辑器的最后一项设置，即“Address Translation Table Contents”不需要编辑设置。
10. 点击“Finish”关闭PCIe参数设置页面，返回到Qsys系统。
这样一个名为“pcie_hard_ip_0”的PCIe硬核已经加入到了Qsys系统，它共有20种不同的接口（其中许多为管道接口，conduits），我们需要根据如何使用该硬核来连接这些接口，后面我们会对这些接口进行连接，图12显示了这时候Qsys系统界面，我们看到在消息窗口显示了以下错误，这时候我们不用理会这些错误，后面我们会处理这些错误的。
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图12：只加入PCIe硬核后Qsys系统界面
步骤4：添加剩下的设备到Qsys系统
接着我们把剩下的DMA和片内RAM添加到Qsys系统，来完成这个PCI Express端点设计。
1. 在Qsys工具的设备库下找到Bridges，展开在其下面找到DMA并展开找到DMA控制器，如图13所示。
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图13：在Qsys工具元件库里找到DMA控制器
2. 点击Add按钮开始添加DMA控制器，并打开DMA控制器的参数设置界面。
和之前添加PCIe硬核类似，这时候我们可以看到一个名字叫“dma_0”的设备已经被自动添加到了Qsys系统，同时一个参数编辑界面展现在我们面前，并允许我们对此DMA控制进行参数配置。
3. 按照如下要求对DMA控制进行配置，配置好的界面如图14所示（Advanced保持默认设置即可）。
a) 为DMA的长度寄存器选择位宽为13 bits，该参数定义了我们启动DMA传输的最大数据尺寸，也即8191 (213 – 1)。
b) 在突发事务下选择使能突发传输，该参数允许DMA使用Avalon-MM的突发处理机制来提供系统性能。
c) 设置突发尺寸为128个字。
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图14：配置DMA控制
4. 点击完成按钮关闭DMA控制器参数设置编辑界面。
这样添加到Qsys的名为dma_0的DMA控制器已经配置完成，它有两个Avalon master接口来分别启动系统内的读和写传输，还有一个名为control_port_slave的Avalon salve接口，该接口用户对DMA的编程配置，一个名为clk的时钟输入接口和一个名为reset的复位输入接口。
5. 在Qsys工具的设备库下找到存储器和存储控制器，展开其下面的On-Chip，然后找到并高亮选择On-Chip Memory（RAM or ROM），如图15所示。
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图15：添加On-Chip Memory到Qsys系统
6. 点击Add按钮，开始添加On-Chip Memory到Qsys并打开其参数编辑界面。
7. 按照如下要求配置片内存储器：（配置好的界面如图16所示）
a) 在存储器类型选项下选择RAM（Writable）。
b) 在Block类型下选择Auto。这样设置让编译器自己为这个片内存储器自动选择片内RAM类型，因为大部分器件内部都有多种片内RAM块类型。
c) 数据宽度选择64，这是因为PCIe硬核使用了64-bit数据总线。
d) 为其配置总的存储尺寸为4096字节，这样就在系统内部创建一个512x64的RAM来用于存储传输的数据。
e) 去使能掉初始化存储器内容选项。存储器的内容在系统操作期间将总是处于可写状态。
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图16：配置On-Chip 存储器
8. 点击完成按钮关闭并完成片内RAM配置界面。
9. 按照以上规律，为该片内RAM重命名为onchip_memory_0。
RAM块只有一个Avalon salve接口用于访问其内部地址空间，同时只有一个时钟和复位输入接口。这时候我们可以看到Qsys系统如图17所示。
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图17：所有设备添加完毕后的Qsys
步骤5：将设备连接起来
下面我们开始在图17所示System Contents下的“connections”列内完成各个设备之间的连接。
1.将PCIe的输出时钟pcie_core_clk连接到片内RAM的clk1端口，如图18所示。
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图18：连接PCIe的输出时钟到RAM时钟输入端口
2. 按照下表所示完成剩下的设备连接。
表1：
从
 到
元件（设备）
 接口名称
 元件（设备）
 接口名称
pcie_hard_ip_0
 pcie_core_clk
 dma_0
 clk
pcie_hard_ip_0
 pcie_core_reset
 on-chip_memory_0
 reset1
pcie_hard_ip_0
 pcie_core_reset
 dma_0
 reset
pcie_hard_ip_0
 bar1_0
 on-chip_memory_0
 s1
pcie_hard_ip_0
 bar2
 dma_0
 control_port_slave
pcie_hard_ip_0
 bar2
 pcie_hard_ip_0
 cra
dma_0
 read_master
 on-chip_memory_0
 s1
dma_0
 read_master
 pcie_hard_ip_0
 txs
dma_0
 write_master
 on-chip_memory_0
 s1
dma_0
 write_master
 pcie_hard_ip_0
 txs

当按照表1所示完成连接后，Qsys系统如图19所示。这将显示系统的时钟和复位信号都是来源于PCIe硬核模块。针对BAR1:0的PCIe事务将直接转换为对片内RAM元件的操作，而针对BAR2的PCIe事务将直接转换为针对DMA控制器或者片内RAM的操作，这取决于该事务的地址偏移。DMA控制的两个master接口能在片内RAM和PCIe链路之间传输数据，可以通过PCIe硬核的发送（TXs）接口访问PCIe链路。
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图19：连接完成的Qsys
3. 在IRQ列连接DMA的中断到PCIe硬核，连接DMA的control_port_slave到PCIe的中断，如图20所示。
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图20：DMA中断连接到PCIe硬核
4. 将PCIe硬核的校准模块的接口输出到Qsys系统外面，可以看到在“export”列，每个接口都有灰色的提示“双击导出”，如图21所示，双击cal_blk_clk接口将其导出Qsys系统
5. 确认导出接口名称为pcie_hard_ip_0_cal_blk_clk，如果需要可以修改到上述名称。
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图21：导出PCIe硬核校准模块时钟
如图21所示，cal_blk_clk在connection列应该有一个导出的引脚符号，但是12.1和13.0目前还没有解决这个问题问题，所以这里我们看不到导出的引脚符号。
6. 按照表2所示，为PCIe硬核导出剩下的接口。
表2：需要导出的PCIe硬核接口
接口名称
 被导出的端口名称
refclk
 pcie_hard_ip_0_refclk
test_in
 pcie_hard_ip_0_test_in
pcie_rstn
 pcie_hard_ip_0_pcie_rstn
clocks_sim
 pcie_hard_ip_0_clocks_sim
reconfig_busy
 pcie_hard_ip_0_reconfig_busy
pipe_ext
 pcie_hard_ip_0_pipe_ext
test_out
 pcie_hard_ip_0_test_out
rx_in
 pcie_hard_ip_0_rx_in
tx_out
 pcie_hard_ip_0_tx_out
reconfig_togxb
 pcie_hard_ip_0_reconfig_togxb
reconfig_gxbclk
 pcie_hard_ip_0_reconfig_gxbclk
reconfig_fromgxb_0
 pcie_hard_ip_0_reconfig_fromgxb_0
fixedclk
 pcie_hard_ip_0_fixedclk

完成上述操作后，PCIe硬核在Qsys中就如图22所示那样。
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图22：在Qsys中完成整个配置和连接的PCIe硬核
步骤6：调整系统地址空间
  1. 在System Contents里的Base列，我们为PCIe硬核的cra分配的地址为0x0000_0000.
  2. 按照表3所示分配剩下设备的地址空间。
表3：地址空间分配表

Component
 Interface
 Base Address
pcie_hard_ip_0
 txs
 0x0000_0000
dma_0
 control_port_slave
 0x0000_4000
onchip_mem_0
 s1
 0x0020_0000
地址空间分配好以后，Qsys系统如图23所示。
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图23：分配好地址空间后的Qsys系统
步骤7：选择最终设置并生成Qsys系统
这一步，我们选择好最终的系统设置以后，生成Qsys文件，然后准备继续开始剩下的硬件设计。
  1. 在Qsys工具里，选择地址映射标号，确认所有的地址映射和之前的步骤5所做的连接相匹配，如图24所示。 0.jpg
图24：系统地址映射
2. 在时钟设置标号下，确认PCIe硬核为系统产生的是125MHz时钟。
3. 在工程设置标号下，查看系统导出的接口都是可见的，并在参数框里选择合适选项，如图25所示。
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图25：查看工程设置及系统导出接口
  1. 生成系统。
    1. 在Generation标号下，让所有仿真选项设置为None。
    2. 系统测试激励也设置为none。
    3. 在综合块，使能创建符号文件（.bsf）选项。
    4. 点击Generate。
    5. 点击Save保存系统并开始生出系统。
系统生成的时候，我们可以看到若干警告，但是没有了错误。
5. 关闭生成完成窗口和关闭Qsys工具
步骤8：在Quartus软件里完成顶层文件设计，并对工程进行编译。
这里我们预先设计好了一个基于Verilog名为civgx_gen1x4_qsys_top.v的顶层文件，其原理框图如图26所示。
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图26：顶层设计框图
可以看到在Qsys系统外，我们还需要其他一些逻辑设计，比如PLL、GXB重配置以及PCIe硬核重配置等。PLL为PCIe硬核产生一个125MHz的参考时钟，同时产生一个50MHz的校准时钟和GXB重配置时钟。
  1. 添加Qsys系统生成的QIP文件和SDC文件到工程，打开文件添加对话框：
    1. 浏览到目录\civgx_gen1x4_qsys\synthesis文件夹下。
    2. 改变文件类型，选择IP Variation Files(*.qip)选择刚刚生成系统的.qip文件。
    3. 点击打开并添加到工程。
    4. 点击OK关闭添加文件对话框和Settings窗口。

通过上述简单的添加QIP文件，将Qsys工具产生的综合文件都添加到了工程，SDC文件在顶层约束了一个50MHz的时钟。
  1. 打开顶层设计文件，即civgx_gen1x4_qsys_top.v。
  2. 查看该文件，并注意以下：
    1. 顶层端口（FPGA的IO），包括两个独立的时钟源，一个复位和4-bit的高速收发通道（RX和TX）。
    2. Qsys系统的实例化，可以直接从Qsys工具里的HDL example下复制过来。许多被定为管道的接口都是用于仿真或者调试，所以它们并不一定要在顶层连接到具体的逻辑。
  3. 编译设计。点击 0.jpg 按钮对工程进行全编译。
参考：
1] Avalon接口协议
[2] PCI-E hard IP User guide

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