PCI-Express总线的接口电路设计.pdf

PCI-Express总线的接口电路设计王福泽(天津工业大学)一、课题背景计算机I/O技术在高性能计算发展中始终是一个关键技术。其技术特性决定了计算机I/O的处理能力，进而决定了计算机的整体性能以及应用环境。从根本上来说，无论现在还是将来，I/O技术都将制约着计算机技术的应用与发展，尤其在高端计算领域。近年来随着高端计算市场的日益活跃，高性能I/O技术之争也愈演愈烈。当计算机运算处理能力与总线数据传输速度的矛盾日益突出时，新的总线技术便应运而生。在过去的十几年间，PCI(PeripheralcomponentInterconnect)总线是成功的，它的平行总线执行机制现在看来依然具有很高的先进性，但其带宽却早已露出疲态。PCI总线分有六种规格(表1所示)，能提供133MBps到2131MBps的数据传输速率，而对于现有高性能产品例如万兆以太网或者光纤通信，传统的PCI的数据传输速率早已入不敷出[4]。表1PCI总线六种规格总线类型总线形式时钟频率峰值带宽每条总线上板卡插槽数PCI32位并行33MHz133MB/s4-5PCI32位并行66MHz266MB/s1-2PCI-X32位并行66MHz266MB/s4PCI-X32位并行133MHz533MB/s1-2PCI-X32位并行266MHz1066MB/s1PCI-X32位并行533MHz2131MB/s1对于64位总线实现，上述所有带宽加倍对于64位总线实现，上述所有带宽加倍仔细分析传统的PCI信号技术，可发现并行式总线已逐渐走近其性能的极限，该种总线已经无法轻易地提升频率或降低电压以提高数据传输率：其时钟和数据的同步传输方式受到信号偏移及PCB布局的限制。高速串行总线的提出，成功的解决了这些问题，其代表应用就是PCIExpress。PCIExpress采用的串行方式，并且真正使用“电压差分传输”即是两条信号线，以相互间的电压差作为逻辑“0”，“1”的表示，以此方式传输可以将传输频率作极高的提升,使信号容易读取，噪声影响降低。由于是差分传输，所以每两条信号线才能单向传送1比特，即一根信号线为正、另一根信号线为负，发送互为反相的信号，每一个“1比特”的两条信号线称为一个差分对。按PCIExpress技术规范规定，一个差分对的传输速率为2.5Gbps。实际使用中，则要使用两个差分对作为一个条链路，分别用做发送和接收。因为有了这样的机制，使得数据带宽是可以弹性调配的。根据相关标准PCI-Express总线能够以xl/x2/x4/x8/x12/x16/x32进行传输(如表2所示)，可提供5Gbps到160Gbps的传输带宽。当系统内某一通道需要更高频宽时，可以机动调度多个链路给该通道，让其传输频宽提升，以适应一时激增的数据传输需求[1]。表2PCI-Express多链路传输速率表PCIExpress链路X1X2X4X8X12X16X32宽度传输带宽（Gb/s）5.010.020.040.060.080.0160.0有效带宽（Gb/s）4.08.016.032.048.064.0128.08b/10b编码使实际有效数据带宽损失20%，每链路包含一对发送/接收模块，每模块单项传输带宽2.5Gb/s除了传输方式的改变外，PCIExpress还有一个更有意义的改变，即连接方式的改变。PCIExpress采用点对点连接方式，较PCI的共享总线方式是一个重要的进步。对于PCI的共享总线方式，PCI总线上在某一时刻只能有一个设备进行通信，一旦PCI总线上挂接的设备增多，每个设备的实际传输速率就会下降，性能也得不到保证。而PCIExpress则采用一种较为先进的连接方式，以点对点的方式处理通信，每个设备在要求传输数据时建立独立的传输通道，对于其它设备这个信道是封闭的，这种操作方式保证了通道的专有性，避免其它设备的干扰，使信号的质量和可靠性增加。由于是点对点的关系，也很好的保证了其扩展性。由于PCI-Express只是扩展总线，与操作系统无关，也可保证其与原有PCI的兼容性，给用户的升级带来了方便。下图为PCI-Express的拓扑结构。图1PCI-Express系统拓扑结构PCIExpress不但具有高性能的传输速率，而且其通用性也有重要的意义。由于其通用的模式，不仅可用于北南桥和其它设备的连接，也可以延伸到芯片组间的连接，甚至也可以用于连接图形芯片。这样整个计算机的I/O系统将重新统一起来，将更进一步的简化计算机系统，使其具有更强的通用性。从目前己经显现的特点看，PCIExpress一改传统PCI的并行总线架构，因此比其它I/O技术有着更为领先的带宽优势，随着时间的推移有逐步取代PCI和PCI-X的趋势。PCIExpress被广泛地认为是一项革命性的总线技术，其重要性可以满足不同使用者的需求。随