降速桥

Speed Adaptor

如何通过PCIe降速桥应对外设连接中速度不匹配问题

在芯片设计与验证中,外设连接的速度差异往往带来挑战。例如,运行在硬件仿真器或原型验证系统上的设计时钟频率通常较低,可能仅为几十MHz甚至低于1MHz;而真实外设及相关协议(如PCIe、高速以太网等)的工作频率常达到几百MHz以上。这种显著的速度差异,使得两者难以直接对接。

为解决速度不匹配问题,核心方法是引入降速桥(Speed Adaptor)。降速桥是一种专门用于原型验证或仿真环境的硬件适配模块,其能够将工作速度与接口特性差异较大的系统有效连接,从而在接近真实运行的条件下完成功能验证。

以1个典型应用案例来做具体分析:

案例:PCIe 降速桥(PCIe Speed Adaptor)

在原型验证中,连接低速用户设计与高速PCIe外设时,降速桥需解决以下几类核心问题:

  • 速率匹配:确保两端设备能以各自不同的时钟频率可靠通信。

  • 协议转换:适配不同协议版本、链路宽度与电气接口之间的差异。

  • 时间解耦:分离高速链路与低速设计的时序耦合,避免相互制约。

  • 可控可观测:提供必要的调试与控制接口,便于验证过程的监控与问题定位。

面临的挑战:

AMD (Xilinx) 等厂商提供的 PCIe PHY 物理层工作频率较高(例如 PCIe Gen1 为 62.5 MHz,Gen4 可达 500 MHz),已远超出多数综合后用户设计的运行频率。若对用户设计进行分割以实现原型部署,其性能可能会进一步降低至 20 MHz 以下,与 PCIe PHY 的工作频率形成巨大落差。

解决方案的核心:

提供PCIe降速桥硬件方案作为速率适配架构的关键组件。

降速桥_副本.jpg

图1:思尔芯的PCIe降速桥硬件方案

其多端口特性允许:

  • 各端口可独立建立链路,并工作于不同状态。

  • 实现对 PCIe 协议版本、链路宽度与通信速率的动态适配。

此外,该方案还集成了 PCS(物理编码子层) 和 PIPE 接口转换 等关键 IP 模块,共同构成一个完整的 PCIe 速率适配解决方案,从而在低速的用户设计与高速的 PCIe 外设之间建立可靠、高效的连接桥梁。

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图2:PCIe降速桥原理

思尔芯外置应用库:降速桥

思尔芯提供超过100种可即插即用的子卡(daughter card)、降速桥(speed bridge)、内存模型(memory models)及参考设计,为FPGA原型验证与硬件仿真等构建了丰富的即用资源库。其中,降速桥已全面覆盖当前主流应用,可支持用户在芯神瞳S7、S8、LX2系列(面向原型验证) 以及芯神鼎OD(面向硬件仿真) 等多种平台上,快速搭建高性能、高可靠性的验证环境。

现有降速桥主要包括以下:

  • PCIe: PCIe Gen5 EP/RC,PCIe Gen6 EP/RC,CXL2.0 EP/RC

  • ETH: 10G/25G/40G/50G/100G/200G/400G/800G

  • 音视频: HDMI,MIPI-DSI/CSI,Display Port

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