PCI-Express总线简介

PCI-Express的原名为3GIO(The3rdGenerationInputOutput)，是由Intel首先提出的，顾名思义，Intel当初提出时就是要将它作为第三代I/O接口标准(第一代是I/O接口标准是ISA，第二代I/O接口标准是PCI)，后来，Intel将3GIO标准转交给PCI-SIG(PCI总线特殊兴趣小组)，名字被改为“PCI-Express”，并进行了标准化。如今，PCI-Express已经推出了3个版本，分别是：1).2002年4月推出的PCI-Express1.0，单通道带宽为2.5Gbps*2(因为PCE-Express收发通道独立，可以同时工作，所以带宽加倍)，有效带宽为2.5Gbps*2*0.8=4Gbps=500MByte/s（PCI-Express通道中传输的数据经过了8B/10B编码，编码效率为80%）。2).2006年推出的PCI-Express2.0，单通道带宽为5Gbps*2，有效带宽为5Gbps*2*0.8=8Gbps=1GByte/s。3).2008年推出的PCI-Express3.0，单通道带宽为10Gbps*2，有效带宽为10Gbps*2*0.8=16Gbps=2GByte/s。PCI-Express总线的基本架构包括根组件(RootComplex)、交换器(Switch)和各种终端设备(Endpoint)。根组件可以集成在北桥芯片中，用于处理器和内存子系统与I/O之间的连接；交换器的功能通常以软件的形式提供，包括多个逻辑PCI到PCI的桥连接，以及与传统PCI设备的兼容性，在PCI-Express架构中出现的新设备是交换器，主要用来为I/O总线提供输出端，它也支持在不同终端设备间进行对等数据传输。PCI-Express总线的拓扑结构如下图所示。PCI总线特点：1).双单工，点对点传输，每个Lane包含4根线，2收2发，使用LVDS差分信号，最小差模电压175mV，共模电压3.5V，最长可传输3m。2).基于包的数据传输方式，支持QOS、VC、TC等特性，支持热插拔，支持电源管理。3).对传输的数据进行8B/10B变换，调整码流的DC特性，方便接收端的时钟信号恢复。4).接口带宽可裁减，使用灵活，可根据实际带宽需求选择合适的Lane数量。PCI-Express支持1X、2X、4X、8X、16X、32X(每个“X”代表一个Lane)，并且向下兼容其他PCI-E小接口产品。如PCI-E4X可以插在PCI-E8X或16X插槽上使用。5).支持通道反转，给PCB走线带来更大的灵活性。(此特性并非PCI-E规范强制要求)，下图为2LanePCI-E通道反转实例。6).支持极性倒置功能，方便PCB调线。PCI-Express总线物理层由逻辑子层和电气子层构成。逻辑子层负责链路的复位，设置链路的速率和带宽，Deskew的测量和补偿，8B/10B编码和解码。发送端包括：1).多路复用器；2).字节拆分逻辑；3).扰频器；4).8B/10B编码器；5).并行/串行转换器。接收端包括：1).接收PLL;2).串行/并行转换器；3).弹性缓冲器;4).10B/8B解码器；5)去扰频器；6).字节反拆分逻辑。7).控制字节删除电路；8).数据包接收缓冲。PCI-Express总线的每个Lane有3对信号，其中参考时钟信号可选。如下图所示。PCI-Express总线的参考时钟为100MHz，精度要求为±300ppm，收发两端的参考时钟可以独立，也可以连接在一起，如果连接在一起，则收发两端参考时钟可以保持同步。如下图所示。PLL是锁相环，用来锁定收发通道的参考时钟，CDR的英文全称是ClockDataRecover，时钟数据恢复的意思。CDR的典型框图如下。（点击看清楚大图）PCI-Express总线100MHz时钟的电平匹配方式如下所示。下拉电阻的取值范围为40～60ohm，一般取49.9ohm，串阻的阻值一般根据实际信号幅度进行调整，一般取33ohm，串阻和下拉电阻都放在始端。PCIE信号一般用AC耦合方式，耦合电容放在始端(这里需要特别注意下，一般高速信号的AC耦合电容都是要求放在终端的，PCIE信号AC耦合电容的位置很特别的)，电容取值范围为75nF-100nF。PCIE通道的Deskew所谓的Deskew是指通道与通道的相位偏移，其主要来源有：1).芯片驱动端和接收端的差异；2).印制电路板的阻抗变化；3).通道线路长度的不匹配；4).串行化和反串行化逻辑所引入的延迟。PCIE接收端为了能并行处理数据，必须要去除通道与通道的相位偏移，此动作称为链路的相位补偿，具体方法是通过微调芯片内部的自动延迟电路来实现的，关于Deskew的测量方法，我已经在“SPI5/SFI5总线简介”这篇文章里介绍过了，有兴趣的可以去查看，这里不在赘述。PCIE规范要求，在发送端需要拥有1.5nS的Deskew补偿能力，在接收端需要拥有20nS的补偿能力。所以PCIE总线对个通道的走线长度约束非常宽松，不需要像并行总线那样做等长处理。PCIE总线支持SSC(拓展频谱时钟)技术，SSC是一种缓慢调制时钟频率的技术，以便降低中心频率处的EMI发射，有了SSC，辐射能量就不会产生2.5GHz或5GHz的噪声尖峰信号，因为辐射被分散到中心频率周围的小频率范围上。使用SSC时，链路两端的最大时钟差异必须在±600ppm，这就几乎强制要求发送端和接收端使用同以参考时钟。