封装管脚信号PINMAP时，必须要了解的接口知识【7】--PCIE接口简介

amao · 发表于 2019-5-15 08:48

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本帖最后由 amao 于 2019-5-15 08:48 编辑

PCIE接口简介

本文档主要是用于PINMAP，只需介绍信号的数量、名、速率等则足够用于PINMAP处理。

1.1 PCIE介绍 1.1.1 什么是PCI Express

在我们看PCIe是什么之前，我们应该要了解一下PCIe的祖先们，这样我们才能对PCIe的一些设计有了更深刻的理解，并感叹计算机技术的飞速发展和工程师们的不懈努力。

1. ISA (IndustryStandard Architecture)

2. MCA (MicroChannel Architecture)

3. EISA(Extended Industry Standard Architecture)

4. VLB (VESALocal Bus)

5. PCI(Peripheral Component Interconnect)

6. PCI-X(Peripheral Component Interconnect eXtended)

7. AGP(Accelerated Graphics Port)

8. PCI Express(Peripheral Component Interconnect Express)

科技的每一步前进都是为了解决前一代中出现的问题，这里的问题就是速度。作为扩展接口，它主要用于外围设备的连接和扩展，而外围设备吞吐速度的提高，往往会倒推接口速度的提升。第一代ISA插槽出现在第一代IBMPC XT机型上（1981），作为现代PC的盘古之作，8位的ISA提供了4.77MB/s的带宽（或传输率）。到了1984年，IBM就在PC AT上将带宽提高了几乎一倍，16位ISA第二代提供了8MB/s的传输率。但其对传输像图像这种数据来说还是杯水车薪。

IBM自作聪明在PS/2产品线上引入了MCA总线，迫使其他几家PC兼容机厂商联合起来捣鼓出来EISA。因为两者都期待兼容ISA，导致速度没有多大提升。真正的高速总线始于VLB，它绑定自己的频率到了当时486 CPU内部总线频率：33MHz。而到了奔腾时代，内部总线提高到了66MHz，给VLB带来了严重的兼容问题，造成致命一击。

Intel在1992年提出PCI（Peripheral Component Interconnect）总线协议，并召集其它的小伙伴组成了名为 PCI-SIG (PCI Special Interest Group)（PCI 特殊兴趣组J）的企业联盟。从那以后这个组织就负责PCI和其继承者们（PCI-X和PCIe的标准制定和推广。

不得不点赞下这种开放的行为，相对IBM当时的封闭，合作共赢的心态使得PCI标准得以广泛推广和使用。有似天雷勾动地火，统一的标准撩拨起了外围设备制造商的创新，从那以后各种各样的PCI设备应运而生，丰富了PC的整个生态环境。

PCI总线标准初试啼声就提供了133MB/s的带宽(33MHz时钟，每时钟传送32bit)。这对当时一般的台式机已经是超高速了，但对于服务器或者视频来说还是不够。于是AGP被发明出来专门连接北桥与显卡，而为服务器则提出PCI-X来连接高速设备。

2004年，Intel再一次带领小伙伴革了PCI的命。PCI express（PCIe，注意官方写法是这样，而不是PCIE或者PCI-E）诞生了，其后又经历了两代，现在是第三代(gen3，3.0)，gen4有望在2017年公布，而gen5已经开始起草中。

PCI-Express是当前主流的总线和接口标准，它原来的名称为“3GIO”，是由Intel提出的，很明显Intel的意思是它代表着下一代I/O接口标准。交由PCI-SIG（PCI特殊兴趣组织）认证发布后才改名为“PCI-Express”。这个新标准将全面取代现行的PCI和AGP，最终实现总线标准的统一，也就是说以后的主板接口没有所谓的显卡专用接口AGP了，所有的接口都是PCI-e接口了，不管是网卡还是显卡。

1.1.2 PCIExpress的优势

PCI Express 作为目前主流的总线接口，采用了目前业内流行的点对点串行连接，每个设备都具有自己专用的连接接口。这比起曾经的PCI及更早期的计算机采用的共享并行架构来说，PCI Express并不需要向整个总线系统请求带宽可以把总线利用率充分发挥，将数据传输率提高到一个很高的频率，这样可以将带宽提高到前所未有的程度。而且PCI-Express总线能够在一个单位周期内实现双向连接和传输，这样使数据的传输质量更高更具有效率。

1.1.3 PCI Express介绍

PCIe链路使用“端到端的数据传送方式”，发送端和接收端中都含有TX(发送逻辑)和RX(接收逻辑)，其结构如图

由上图所示，在PCIe总线的物理链路的一个数据通路(Lane)中，由两组差分信号，共4根信号线组成。其中发送端的TX部件与接收端的RX部件使用一组差分信号连接，该链路也被称为发送端的发送链路，也是接收端的接收链路；而发送端的RX部件与接收端的TX部件使用另一组差分信号连接，该链路也被称为发送端的接收链路，也是接收端的发送链路。一个PCIe链路可以由多个Lane组成。

高速差分信号电气规范要求其发送端串接一个电容，以进行AC耦合。该电容也被称为AC耦合电容。PCIe链路使用差分信号进行数据传送，一个差分信号由D+和D-两根信号组成，信号接收端通过比较这两个信号的差值，判断发送端发送的是逻辑“1”还是逻辑“0”。

与单端信号相比，差分信号抗干扰的能力更强，因为差分信号在布线时要求“等长”、“等宽”、“贴近”，而且在同层。因此外部干扰噪声将被“同值”而且“同时”加载到D+和D-两根信号上，其差值在理想情况下为0，对信号的逻辑值产生的影响较小。因此差分信号可以使用更高的总线频率。

此外使用差分信号能有效抑制电磁干扰EMI(Electro Magnetic InteRFerence)。由于差分信号D+与D-距离很近而且信号幅值相等、极性相反。这两根线与地线间耦合电磁场的幅值相等，将相互抵消，因此差分信号对外界的电磁干扰较小。当然差分信号的缺点也是显而易见的，一是差分信号使用两根信号传送一位数据；二是差分信号的布线相对严格一些。

PCIe链路可以由多条Lane组成，目前PCIe链路可以支持1、2、4、8、12、16和32个Lane，即×1、×2、×4、×8、×12、×16和×32宽度的PCIe链路。每一个Lane上使用的总线频率与PCIe总线使用的版本相关。

第1个PCIe总线规范为V1.0，之后依次为V1.0a，V1.1，V2.0和V2.1。目前PCIe总线的最新规范为V2.1，而V3.0正在开发过程中，预计在2010年发布。不同的PCIe总线规范所定义的总线频率和链路编码方式并不相同，如表1所示。

表1 PCIe总线规范与总线频率和编码的关系

PCIe总线规范	总线频率[1]	单Lane的峰值带宽	编码方式
1.x	1.25GHz	2.5GT/s	8/10b编码
2.x	2.5GHz	5GT/s	8/10b编码
3.0	4GHz	8GT/s	128/130b编码

如上表所示，不同的PCIe总线规范使用的总线频率并不相同，其使用的数据编码方式也不相同。PCIe总线V1.x和V2.0规范在物理层中使用8/10b编码，即在PCIe链路上的10 bit中含有8 bit的有效数据；而V3.0规范使用128/130b编码方式，即在PCIe链路上的130 bit中含有128 bit的有效数据。

由上表所示，V3.0规范使用的总线频率虽然只有4GHz，但是其有效带宽是V2.x的两倍。下文将以V2.x规范为例，说明不同宽度PCIe链路所能提供的峰值带宽，如表42所示。

表2 PCIe总线的峰值带宽

PCIe总线的数据位宽	×1	×2	×4	×8	×12	×16	×32
峰值带宽(GT/s)	5	10	20	40	60	80	160

由上表所示，×32的PCIe链路可以提供160GT/s的链路带宽，远高于PCI/PCI-X总线所能提供的峰值带宽。而即将推出的PCIe V3.0规范使用4GHz的总线频率，将进一步提高PCIe链路的峰值带宽。

在PCIe总线中，使用GT(Gigatransfer)计算PCIe链路的峰值带宽。GT是在PCIe链路上传递的峰值带宽，其计算公式为总线频率×数据位宽×2。

在PCIe总线中，影响有效带宽的因素有很多，因而其有效带宽较难计算。尽管如此，PCIe总线提供的有效带宽还是远高于PCI总线。PCIe总线也有其弱点，其中最突出的问题是传送延时。

PCIe链路使用串行方式进行数据传送，然而在芯片内部，数据总线仍然是并行的，因此PCIe链路接口需要进行串并转换，这种串并转换将产生较大的延时。除此之外PCIe总线的数据报文需要经过事务层、数据链路层和物理层，这些数据报文在穿越这些层次时，也将带来延时。

在基于PCIe总线的设备中，×1的PCIe链路最为常见，而×12的PCIe链路极少出现，×4和×8的PCIe设备也不多见。Intel通常在ICH中集成了多个×1的PCIe链路用来连接低速外设，而在MCH中集成了一个×16的PCIe链路用于连接显卡控制器。而PowerPC处理器通常能够支持×8、×4、×2和×1的PCIe链路。

PCIe总线物理链路间的数据传送使用基于时钟的同步传送机制，但是在物理链路上并没有时钟线，PCIe总线的接收端含有时钟恢复模块CDR(ClockData Recovery)，CDR将从接收报文中提取接收时钟，从而进行同步数据传递。

值得注意的是，在一个PCIe设备中除了需要从报文中提取时钟外，还使用了REFCLK+和REFCLK-信号对作为本地参考时钟，这个信号对的描述见下文。

1.2 PCIe总线使用的信号介绍

PCIe设备使用两种电源信号供电，分别是Vcc与Vaux，其额定电压为3.3V。其中Vcc为主电源，PCIe设备使用的主要逻辑模块均使用Vcc供电，而一些与电源管理相关的逻辑使用Vaux供电。在PCIe设备中，一些特殊的寄存器通常使用Vaux供电，如Sticky Register，此时即使PCIe设备的Vcc被移除，这些与电源管理相关的逻辑状态和这些特殊寄存器的内容也不会发生改变。

在PCIe总线中，使用Vaux的主要原因是为了降低功耗和缩短系统恢复时间。因为Vaux在多数情况下并不会被移除，因此当PCIe设备的Vcc恢复后，该设备不用重新恢复使用Vaux供电的逻辑，从而设备可以很快地恢复到正常工作状状态。

PCIe链路的最大宽度为×32，但是在实际应用中，×32的链路宽度极少使用。在一个处理器系统中，一般提供×16的PCIe插槽，并使用PETp0~15、PETn0~15和PERp0~15、PERn0~15共64根信号线组成32对差分信号，其中16对PETxx信号用于发送链路，另外16对PERxx信号用于接收链路。除此之外PCIe总线还使用了下列辅助信号。

1.2.1 PERST#信号

该信号为全局复位信号，由处理器系统提供，处理器系统需要为PCIe插槽和PCIe设备提供该复位信号。PCIe设备使用该信号复位内部逻辑。当该信号有效时，PCIe设备将进行复位操作。PCIe总线定义了多种复位方式，其中Cold Reset和WARM Reset这两种复位方式的实现与该信号有关，详见第1.5节。

1.2.2 REFCLK+和REFCLK-信号

在一个处理器系统中，可能含有许多PCIe设备，这些设备可以作为Add-In卡与PCIe插槽连接，也可以作为内置模块，与处理器系统提供的PCIe链路直接相连，而不需要经过PCIe插槽。PCIe设备与PCIe插槽都具有REFCLK+和REFCLK-信号，其中PCIe插槽使用这组信号与处理器系统同步。

在一个处理器系统中，通常采用专用逻辑向PCIe插槽提供REFCLK+和REFCLK-信号，如图42所示。其中100Mhz的时钟源由晶振提供，并经过一个“一推多”的差分时钟驱动器生成多个同相位的时钟源，与PCIe插槽一一对应连接。

PCIe插槽需要使用参考时钟，其频率范围为100MHz±300ppm。处理器系统需要为每一个PCIe插槽、MCH、ICH和Switch提供参考时钟。而且要求在一个处理器系统中，时钟驱动器产生的参考时钟信号到每一个PCIe插槽(MCH、ICH和Swith)的距离差在15英寸之内。通常信号的传播速度接近光速，约为6英寸/ns，由此可见，不同PCIe插槽间REFCLK+和REFCLK-信号的传送延时差约为2.5ns。

当PCIe设备作为Add-In卡连接在PCIe插槽时，可以直接使用PCIe插槽提供的REFCLK+和REFCLK-信号，也可以使用独立的参考时钟，只要这个参考时钟在100MHz±300ppm范围内即可。内置的PCIe设备与Add-In卡在处理REFCLK+和REFCLK-信号时使用的方法类似，但是PCIe设备可以使用独立的参考时钟，而不使用REFCLK+和REFCLK-信号。

在PCIe设备配置空间的LinkControl Register中，含有一个“CommonClock Configuration”位。当该位为1时，表示该设备与PCIe链路的对端设备使用“同相位”的参考时钟；如果为0，表示该设备与PCIe链路的对端设备使用的参考时钟是异步的。

在PCIe设备中，“CommonClock Configuration”位的缺省值为0，此时PCIe设备使用的参考时钟与对端设备没有任何联系，PCIe链路两端设备使用的参考时钟可以异步设置。这个异步时钟设置方法对于使用PCIe链路进行远程连接时尤为重要。

在一个处理器系统中，如果使用PCIe链路进行机箱到机箱间的互连，因为参考时钟可以异步设置，机箱到机箱之间进行数据传送时仅需要差分信号线即可，而不需要参考时钟，从而极大降低了连接难度。

1.2.3 WAKE#信号

当PCIe设备进入休眠状态，主电源已经停止供电时，PCIe设备使用该信号向处理器系统提交唤醒请求，使处理器系统重新为该PCIe设备提供主电源Vcc。在PCIe总线中，WAKE#信号是可选的，因此使用WAKE#信号唤醒PCIe设备的机制也是可选的。值得注意的是产生该信号的硬件逻辑必须使用辅助电源Vaux供电。

WAKE#是一个Open Drain信号，一个处理器的所有PCIe设备可以将WAKE#信号进行线与后，统一发送给处理器系统的电源控制器。当某个PCIe设备需要被唤醒时，该设备首先置WAKE#信号有效，然后在经过一段延时之后，处理器系统开始为该设备提供主电源Vcc，并使用PERST#信号对该设备进行复位操作。此时WAKE#信号需要始终保持为低，当主电源Vcc上电完成之后，PERST#信号也将置为无效并结束复位，WAKE#信号也将随之置为无效，结束整个唤醒过程。

PCIe设备除了可以使用WAKE#信号实现唤醒功能外，还可以使用Beacon信号实现唤醒功能。与WAKE#信号实现唤醒功能不同，Beacon使用In-band信号，即差分信号D+和D-实现唤醒功能。Beacon信号DC平衡，由一组通过D+和D-信号生成的脉冲信号组成。这些脉冲信号宽度的最小值为2ns，最大值为16us。当PCIe设备准备退出L2状态(该状态为PCIe设备使用的一种低功耗状态)时，可以使用Beacon信号，提交唤醒请求。

1.2.4 SMCLK和SMDAT信号

SMCLK和SMDAT信号与x86处理器的SMBus(System Mangement Bus)相关。SMBus于1995年由Intel提出，SMBus由SMCLK和SMDAT信号组成。SMBus源于I2C总线，但是与I2C总线存在一些差异。

SMBus的最高总线频率为100KHz，而I2C总线可以支持400KHz和2MHz的总线频率。此外SMBus上的从设备具有超时功能，当从设备发现主设备发出的时钟信号保持低电平超过35ms时，将引发从设备的超时复位。在正常情况下，SMBus的主设备使用的总线频率最低为10KHz，以避免从设备在正常使用过程中出现超时。

在SMbus中，如果主设备需要复位从设备时，可以使用这种超时机制。而I2C总线只能使用硬件信号才能实现这种复位操作，在I2C总线中，如果从设备出现错误时，单纯通过主设备是无法复位从设备的。

SMBus还支持Alert Response机制。当从设备产生一个中断时，并不会立即清除该中断，直到主设备向0b0001100地址发出命令。

上文所述的SMBus和I2C总线的区别还是局限于物理层和链路层上，实际上SMBus还含有网络层。SMBus还在网络层上定义了11种总线协议，用来实现报文传递。

SMBus在x86处理器系统中得到了大规模普及，其主要作用是管理处理器系统的外部设备，并收集外设的运行信息，特别是一些与智能电源管理相关的信息。PCI和PCIe插槽也为SMBus预留了接口，以便于PCI/PCIe设备与处理器系统进行交互。

在Linux系统中，SMBus得到了广泛的应用，ACPI也为SMBus定义了一系列命令，用于智能电池、电池充电器与处理器系统之间的通信。在Windows操作系统中，有关外部设备的描述信息，也是通过SMBus获得的。

1.2.5 JTAG信号

JTAG(Joint Test Action Group)是一种国际标准测试协议，与IEEE 1149.1兼容，主要用于芯片内部测试。目前绝大多数器件都支持JTAG测试标准。JTAG信号由TRST#、TCK、TDI、TDO和TMS信号组成。其中TRST#为复位信号；TCK为时钟信号；TDI和TDO分别与数据输入和数据输出对应；而TMS信号为模式选择。

JTAG允许多个器件通过JTAG接口串联在一起，并形成一个JTAG链。目前FPGA和EPLD可以借用JTAG接口实现在线编程ISP(In-SystemProgramming)功能。处理器也可以使用JTAG接口进行系统级调试工作，如设置断点、读取内部寄存器和存储器等一系列操作。除此之外JTAG接口也可用作“逆向工程”，分析一个产品的实现细节，因此在正式产品中，一般不保留JTAG接口。

1.2.6 PRSNT1#和PRSNT2#信号

PRSNT1#和PRSNT2#信号与PCIe设备的热插拔相关。在基于PCIe总线的Add-in卡中，PRSNT1#和PRSNT2#信号直接相连，而在处理器主板中，PRSNT1#信号接地，而PRSNT2#信号通过上拉电阻接为高。PCIe设备的热插拔结构如图43所示。

如上图所示，当Add-In卡没有插入时，处理器主板的PRSNT2#信号由上拉电阻接为高，而当Add-In卡插入时主板的PRSNT2#信号将与PRSNT1#信号通过Add-In卡连通，此时PRSNT2#信号为低。处理器主板的热插拔控制逻辑将捕获这个“低电平”，得知Add-In卡已经插入，从而触发系统软件进行相应地处理。

Add-In卡拔出的工作机制与插入类似。当Add-in卡连接在处理器主板时，处理器主板的PRSNT2#信号为低，当Add-In卡拔出后，处理器主板的PRSNT2#信号为高。处理器主板的热插拔控制逻辑将捕获这个“高电平”，得知Add-In卡已经被拔出，从而触发系统软件进行相应地处理。

不同的处理器系统处理PCIe设备热拔插的过程并不相同，在一个实际的处理器系统中，热拔插设备的实现也远比图43中的示例复杂得多。值得注意的是，在实现热拔插功能时，Add-in Card需要使用“长短针”结构。

如图43所示，PRSNT1#和PRSNT2#信号使用的金手指长度是其他信号的一半。因此当PCIe设备插入插槽时，PRSNT1#和PRSNT2#信号在其他金手指与PCIe插槽完全接触，并经过一段延时后，才能与插槽完全接触；当PCIe设备从PCIe插槽中拔出时，这两个信号首先与PCIe插槽断连，再经过一段延时后，其他信号才能与插槽断连。系统软件可以使用这段延时，进行一些热拔插处理。

1.3 管脚列表说明