《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種基于虛擬端點(diǎn)的PCIe交換機(jī)地址分配方案*
電子技術(shù)應(yīng)用
張健，劉威鵬，李躍鵬，楊亞璞，朱彥磊
（許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）
摘要： 針對(duì)PCIe總線特性，結(jié)合工業(yè)控制裝備的應(yīng)用特性以及設(shè)計(jì)、調(diào)試和查找問題的便利性，提出一種基于虛擬端點(diǎn)的PCIe交換機(jī)地址分配方案。通過分析PCIe設(shè)備的枚舉與資源分配過程，將虛擬端點(diǎn)添加到PCIe交換機(jī)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，設(shè)計(jì)PCIe外設(shè)地址空間固定分配機(jī)制，并給出外設(shè)的物理槽位號(hào)的計(jì)算公式，可在外設(shè)交互故障時(shí)刻快速定位故障外設(shè)。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在支持熱插拔的裝置中，無論外設(shè)板卡的運(yùn)行數(shù)目、類型和位置如何改變，該地址分配方案可實(shí)現(xiàn)各下游虛擬PCI橋下接入的有效端點(diǎn)分配的地址空間固定，且消除了遍歷查詢外設(shè)地址環(huán)節(jié)，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，有益于PCIe總線更加便捷地應(yīng)用于工控領(lǐng)域。
中圖分類號(hào)：TP2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.234060
中文引用格式： 張健，劉威鵬，李躍鵬，等. 一種基于虛擬端點(diǎn)的PCIe交換機(jī)地址分配方案[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2023，49(9)：103-108.
英文引用格式： Zhang Jian，Liu Weipeng，Li Yuepeng，et al. A PCIe switch address allocation scheme based on virtual endpoints[J]. Application of Electronic Technique，2023，49(9)：103-108.
A PCIe switch address allocation scheme based on virtual endpoints
Zhang Jian，Liu Weipeng，Li Yuepeng，Yang Yapu，Zhu Yanlei
(XJ Electric Co.， Ltd.， Xuchang 461000， China)
Abstract： A virtual endpoint-based address allocation scheme for PCIe switches is proposed for the PCIe bus characteristics, combined with the application characteristics of industrial control equipment and the convenience of design, debugging and problem finding. By analyzing the enumeration and resource allocation process of PCIe devices, adding virtual endpoints to the PCIe switch system topology, designing a fixed allocation mechanism for PCIe peripheral address space, and giving a formula for calculating the physical slot number of peripherals, the faulty peripheral can be quickly located at the moment of peripheral interaction failure. Through experimental verification, the address allocation scheme can realize the fixed address space allocated to the valid endpoints accessed under each downstream virtual PCI bridge in the device supporting hot-swapping, regardless of the number, type and location of peripheral board operation changes, and eliminates the traversal query peripheral address link to improve the efficiency of data transmission, which is beneficial to the PCIe bus can be more conveniently applied to the industrial control field.
Key words : PCIe bus；switch system；virtual endpoint；topology；address assignment

0　引言

為了滿足工業(yè)控制裝備對(duì)高速數(shù)據(jù)交換的需求以及PCIe總線技術(shù)的成熟應(yīng)用，PCIe總線已被引入到工業(yè)控制裝置的設(shè)計(jì)中。PCIe總線作為一種超高速通信總線，可以通過交換機(jī)擴(kuò)展的PCIe鏈路作為背板總線使用，支持多種不同類型設(shè)備的連接，例如IO模塊、傳感器和執(zhí)行器等。這些設(shè)備可以通過PCIe鏈路與主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制裝備的各種功能。此外，PCIe鏈路還可以用于連接工業(yè)網(wǎng)絡(luò)和傳感器網(wǎng)絡(luò)等外部設(shè)備，使得工業(yè)控制裝備可以與外部系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)更加靈活的控制和管理功能[1-3]。

PCIe總線與傳統(tǒng)工業(yè)控制裝備的設(shè)備互聯(lián)方式不同。PCIe總線采用的是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接方式，可以保證設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸不被其他設(shè)備干擾[4-8]。但是，PCIe總線設(shè)備地址的分配方式與傳統(tǒng)工業(yè)控制裝備不同。在傳統(tǒng)工業(yè)控制裝備中，設(shè)備地址通常由生產(chǎn)廠商設(shè)定并固定。而在PCIe總線架構(gòu)中，設(shè)備地址是由裝置上電初始化時(shí)動(dòng)態(tài)分配的[9]。此外，工業(yè)控制裝備通常支持可插拔的PCIe外設(shè)，以增強(qiáng)系統(tǒng)的靈活性。可插拔的PCIe外設(shè)也是由系統(tǒng)動(dòng)態(tài)地分配地址。然而，在高度自動(dòng)化的工業(yè)控制裝備中，設(shè)備的外設(shè)地址通常是固定的。如果設(shè)備的外設(shè)地址不是固定的，主控處理器訪問外設(shè)時(shí)需要遍歷整個(gè)外設(shè)地址表獲取相應(yīng)的外設(shè)地址，這會(huì)增加系統(tǒng)開銷并可能導(dǎo)致設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳輸故障，影響設(shè)備的正常運(yùn)行。

在工業(yè)控制裝備中，設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換是至關(guān)重要的。這些裝置的運(yùn)行直接關(guān)系到人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全。因此，為了確保設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽?、高?shí)時(shí)性，保證工業(yè)控制裝備的高效運(yùn)行，需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段充分考慮設(shè)備的特性和要求，設(shè)計(jì)一種適用于工業(yè)控制裝備的PCIe外設(shè)地址分配方案，避免地址變化和地址沖突帶來的問題。

本文從工業(yè)控制裝備的應(yīng)用特性及設(shè)計(jì)、調(diào)試和查找問題的便利性角度出發(fā)，提出了一種基于虛擬端點(diǎn)的PCIe交換機(jī)地址分配方案，該方案在支持熱插拔的裝置中，能夠?qū)CIe設(shè)備分配的地址空間固定下來，即設(shè)備所分配的地址與裝置中插入的設(shè)備數(shù)量、類型無關(guān)，僅與設(shè)備插入的位置有關(guān)。該方案旨在使PCIe總線更加便捷地應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。


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作者信息：

張健，劉威鵬，李躍鵬，楊亞璞，朱彥磊

（許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

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