Multi-Channel High Performance PCIe QDMA&RDMA IP

1    介绍

基于PCI Express Integrated Block，Multi-Channel PCIe QDMA Subsystem实现了使用DMA地址队列的独立多通道、高性能Continous（CDMA）或Scather Gather DMA（SGDMA），提供fifo/AXI4-Stream用户接口，FIFO用户接口支持Stream（数据流方式）和Packet（数据帧方式）模式。

基于PCI Express Integrated Block，Multi-Channel PCIe RDMA Subsystem实现了使用DMA Ring缓冲的独立多通道、高性能/超低延时/超低抖动Continous Ring DMA，提供FIFO/AXI4-Stream用户接口，FIFO用户接口支持Stream（数据流方式）和Packet（数据帧方式）模式。

1.1      特性

Ø  支持Ultrascale+，Ultrascale，7 Series的PCI Express Integrated Block

Ø  支持PCIe 2.0，3.0，4.0速度；PCIe x4，x8，x16链路宽度

Ø  支持64，128，256，512-bit数据路径

Ø  64-bit源地址，目的地址，和描述符地址

Ø  多达8个独立的host-to-card（H2C/Read）数据通道或H2C DMA，H2C DMA效率高达90%以上

Ø  多达8个独立的card-to-host（C2H/Write）数据通道或C2H DMA，C2H DMA效率高达90%以上

Ø  AXI4-Stream/FIFO用户接口（每个通道都有自己的AXI4-Stream/FIFO接口）

Ø  FIFO用户接口支持Stream（数据流方式）和Packet（数据帧方式）模式

Ø  每个DMA引擎支持DMA地址队列，队列深度可达32

Ø  每个DMA引擎支持DMA Ring缓冲，Ring缓冲深度和个数可配置

Ø  RDMA的超低延时和超低抖动性

Ø  H2C DMA支持视频显示定时时序输入控制

Ø  AXI4-Lite Master接口允许PCIe通信绕过DMA引擎

Ø  Scather Gather描述符列表支持无限列表大小

Ø  每个描述符的最大传输长度为4GB

Ø  MSI中断

Ø  连续描述符的块获取，支持描述符预取

Ø  中断或查询模式

1.2      应用

本内核体系结构支持广泛的计算和通信目标程序应用，强调性能、成本、可扩展性、功能可扩展性和关键任务可靠性。典型应用包括：

● 数据通信网络

● 电信网络

● 宽带有线和无线应用

● 网络接口卡

● 用于各种应用程序的服务器add-in card

典型应用如下图所示：

图 1 Multi-Channel PCIe QDMA&RDMA Subsystem典型应用：8通道视频采集和视频显示

2    概述

Multi-Channel PCIe QDMA&RDMA Subsystem作为一个高性能DMA数据搬移器，内核通过AXI4-Stream/FIFO接口直接连接RTL逻辑。使用提供的字符驱动程序，AXI4-Stream/FIFO接口可用于PCIe地址空间和AXI地址空间之间的高性能数据搬移。除了基本的DMA功能，DMA支持多达8个独立的upstream和downstream通道，每个通道支持深度为32的DMA地址队列，以及深度和个数可配置的DMA Ring缓冲，另外还允许PCIe通信绕过DMA引擎。

图 2 Multi-Channel PCIe QDMA&RDMA Subsystem概述

2.1      特性概要

基于描述符提供的信息：源地址，目的地址和传输数据长度，Multi-Channel PCIe QDMA&RDMA Subsystem实现Host存储器和PCIe DMA子系统之间的数据搬移。这些DMA可以同时是Host to Card（H2C）和Card to Host（C2H）传输。每个DMA通道对应各自的AX4-Stream/FIFO接口，DMA从Host存储器获取并解析描述符链表，基于描述符链表信息完成自己通道的数据传输，然后使用MSI中断发出描述符完成或错误的信令。内核也提供多达16个输出到Host的用户中断信号。

每个FIFO接口支持Stream（数据流方式）和Packet（数据帧方式）模式。在Stream（数据流方式）模式下，C2H和H2C的DMA长度必须是XFER_BYTE的整数倍，FIFO接口上的数据按照数据流方式进行传输（即无keep和last指示）；在Packet（数据帧方式）模式下，C2H和H2C的DMA长度是可以任意字节，FIFO接口上的数据带keep和last指示，按照数据帧方式进行传输。

主机可以通过以下2个接口访问用户逻辑：

Ø  AXI4-Lite Master配置接口：这个接口是一个固定的32-bit端口，用于对性能要求不高的用户配置和状态寄存器的访问

Ø  User Register：这个接口是多个32-bit向量信号和1-bit信号，这些信号来自对应DMA通道数据搬移过程中产生的控制或状态信号

3    产品规格

结合Integrated Block for PCI Express IP，Multi-Channel PCIe QDMA&RDMA Subsystem为PCIe提供了一个高性能的DMA解决方案。

3.1            性能

Endpoint配置参数：

1.     Max Payload Size=256-byte

2.     Max Read Request Size=512-byte

3.     DMA Transfer Length = 4MB

C2H & H2C DMA性能：

1.     PCIe 3.0 x16，C2H DMA和H2C DMA速度大于14GB/s

2.     PCIe 3.0 x8，C2H DMA和H2C DMA速度大于7GB/s

3.     PCIe 2.0 x8，C2H DMA和H2C DMA速度大于3.6GB/s

4.     PCIe 2.0 x4，C2H DMA和H2C DMA速度大于1.7GB/s

3.2            资源

表1 PCIe 3.0 x16 DMA Subsystem资源（8通道）

表2 PCIe 3.0 x8 DMA Subsystem资源（8通道）

表3 PCIe 2.0 x8 DMA Subsystem资源（8通道）

表4 PCIe 2.0 x4 DMA Subsystem资源（8通道）

表5 PCIe 3.0 x16 DMA Subsystem资源（1通道）

表6 PCIe 3.0 x8 DMA Subsystem资源（1通道）

表7 PCIe 2.0 x8 DMA Subsystem资源（1通道）

表8 PCIe 2.0 x4 DMA Subsystem资源（1通道）

3.3            驱动程序

(1) Windows WDF (Queue or Non-Queue，Ring)

(2) Linux (Queue or Non-Queue，Ring)

(3) V4L2

4    交付清单

可交付资料：

1. 详细的用户手册

2. 设计文件：源代码或网表

3. 时序约束

4. 测试或Demo工程

5. 技术支持：邮件，电话，现场，培训服务