串行總線技術(shù)（一）-串行總線結(jié)構(gòu)（以PCIe為例）串行總線的出現(xiàn)在早期的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，多數(shù)外圍設(shè)備使用并行總線結(jié)構(gòu)。這些總線包括PCI和PATA（并行ATA）。當(dāng)通信速率較低時(shí)，并行總線結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)得非常簡單和有效，可以連接大量外圍設(shè)備。通過使用中央仲裁機(jī)制，可以方便地實(shí)現(xiàn)總線設(shè)備間的通信：然而，當(dāng)速率和帶寬不斷增加時(shí)，并行結(jié)構(gòu)的潛力不斷被發(fā)掘并不再能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

并行總線結(jié)構(gòu)的帶寬可以通過增加總線寬度或者提高總線的工作頻率來實(shí)現(xiàn)，但這種增加帶寬的方式會(huì)逐漸變得困難。并行總線會(huì)占用很多引腳，而對(duì)現(xiàn)代數(shù)字芯片來說，單一芯片中集成了大量的功能，引腳本身就是一種非常緊張的資源，這為繼續(xù)增加總線寬度帶來了困難。

另外，總線頻率已經(jīng)進(jìn)行了多次增加（如PCI--》PCIX），繼續(xù)對(duì)大量信號(hào)線提高工作頻率也變得更加困難。除此之外，并行結(jié)構(gòu)還有一些固有不足，如沒有包的概念，沒有錯(cuò)誤檢驗(yàn)機(jī)制等。在并行總線中，傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)突發(fā)片段，不是完整的數(shù)據(jù)包，也沒有與所傳輸數(shù)裾相關(guān)的CRC校驗(yàn)結(jié)果以進(jìn)行差錯(cuò)控制。并行總線的不足促進(jìn)串行總線結(jié)構(gòu)的發(fā)展，這不僅克服了原有的缺陷，還帶來了其他好處。如圖所示為并行總線與串行總線示例。

現(xiàn)在的數(shù)字系統(tǒng)中有很多種串行總線。PCI Express（代替了并行PCI總線）、SATA（代替PATA）以及USB等就是一些常用的高速總線。這些總線的速率也從MHz達(dá)到了GHz。

串行總線的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)

占用引腳數(shù)量少

串行總線使用一對(duì)信號(hào)線發(fā)送數(shù)據(jù)（TX+ TX-），使用一對(duì)信號(hào)線接收數(shù)據(jù)（RX+ RX-）。而PCI和PCIX等并行總線會(huì)占用大量引腳。

差分信號(hào)

TX和RX信號(hào)線上采用的是差分信號(hào)傳輸方式，這種傳輸方式具有很高的抗噪聲能力。

強(qiáng)錯(cuò)誤檢測(cè)能力

串行協(xié)議使用基干包的數(shù)據(jù)傳輸方式，對(duì)數(shù)據(jù)包采用了CRC校驗(yàn)。相比于PCI中采用的奇偶校驗(yàn)，CRC校驗(yàn)具有很強(qiáng)的檢錯(cuò)能力。

糾錯(cuò)與恢復(fù)

因?yàn)椴捎没诎膫鬏敺绞讲⑶規(guī)в蠧RC校驗(yàn)，接收設(shè)備能夠檢測(cè)出接收數(shù)據(jù)包中的錯(cuò)誤并通知發(fā)送端出現(xiàn)了傳輸錯(cuò)誤，發(fā)送端可以重新發(fā)送出現(xiàn)錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)包。

全雙工數(shù)據(jù)和控制流

數(shù)據(jù)包可以在TX信號(hào)線上傳輸，同時(shí)可以在RX信號(hào)線上接收控制信息。SATA使用類似HOLD的流控原語來實(shí)時(shí)阻止數(shù)據(jù)發(fā)送以避免數(shù)據(jù)溢出。

分割式數(shù)據(jù)傳輸

在分割式數(shù)據(jù)傳輸中，request和completion可以不出現(xiàn)在同一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸操作中。這不是串行總線所特有的必要特征。所有的串行總線都使用包和分割式數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。多數(shù)早期的并行總線（PCI、AHB）不支持分割式數(shù)據(jù)傳輸。最新的并行總線，如AXI開始支持這一協(xié)議。

缺點(diǎn)

串行總線也存在一些不利之處。

只支持點(diǎn)到點(diǎn)連接

通過串行總線只能連接兩個(gè)設(shè)備，而對(duì)于并行總線，可以在單一總線上連接多個(gè)設(shè)備，并目。很容易增減總線上的設(shè)備。對(duì)于串行總線，我們需要使用交換機(jī)和多個(gè)總線設(shè)備連接。

更大的延遲

由于串行及分層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，串行結(jié)構(gòu)的總線延遲更大一些。

串行總線結(jié)構(gòu)串行總線結(jié)構(gòu)只允許點(diǎn)到點(diǎn)連接，一條串行總線只能連接兩個(gè)設(shè)備，而并行總線可以同吋連接多個(gè)設(shè)備。在串行總線結(jié)構(gòu)中，總線設(shè)備中需要包括兩個(gè)基本電路部件：MAC控制器（通常簡稱為控制器）和PHY（主要實(shí)現(xiàn)模擬收發(fā)功能）。MAC具有分層結(jié)構(gòu)，通常包括三個(gè)層次。PHY包括兩個(gè)部分：PCS和PMA。PCS（Physical Coding Sublayer，物理編碼子層）主要實(shí)現(xiàn)編解碼等數(shù)字邏輯功能。PMA主要實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘恢復(fù)、均衡和信號(hào)電平檢測(cè)等模擬功能。

下面我們將以PCIe和SATA為例，對(duì)串行總線結(jié)構(gòu)加以分析。

MAC控制器包括三個(gè)層次：PHY邏輯層 、 數(shù)據(jù)鏈路層和事務(wù)層。每一層都有自己特定的功能。

PHY邏輯層

兩個(gè)相互聯(lián)接設(shè)備的PHY邏輯層之間使用PHY層包進(jìn)行通信，稱為有序訓(xùn)練集合，如圖所示。PHY層包被用于建立鏈路和確定交互的操作速度，在訓(xùn)練階段結(jié)束時(shí)，雙方進(jìn)入連接階段，此時(shí)它們已經(jīng)做好了傳輸數(shù)據(jù)鏈路層和事務(wù)層包的準(zhǔn)備。PHY層包產(chǎn)生于PHY層，終結(jié)于另一側(cè)的PHY邏輯層，不會(huì)上交給其他層次。

數(shù)據(jù)鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路層使用短的、固定長度（2個(gè)dword/8字節(jié)）的包在兩個(gè)設(shè)備間交互鏈路信息，如圖所示。這些包也被稱為DLLP（Data Link Layer Packet，數(shù)據(jù)鏈路層包）。DLLP被用于交換信用信息、ACK、NAK和功率管理協(xié)議。DLLP在本層產(chǎn)生，終止于對(duì)端的同一層，不會(huì)進(jìn)一步向上提交。

事務(wù)層

本層在兩個(gè)設(shè)備間進(jìn)行實(shí)際的數(shù)據(jù)交互，如下圖所示。這些包被稱為TLP（Transaction Layer Packet，事務(wù)層包），TLP為變長包。TLP包括頭域、數(shù)據(jù)凈荷和CRC校驗(yàn)。一個(gè)TLP由start-of-packet符號(hào)開始，以END符號(hào)結(jié)束。

串行總線時(shí)鐘在PCIe中，平臺(tái)提供100MHz參考時(shí)鐘，通過PCIe插槽提供給總線設(shè)備。PCIe端點(diǎn)設(shè)備從PCIe連接器處獲取該參考時(shí)鐘并將其交給PHY PMA層。PMA內(nèi)部有一個(gè)PLL，它根據(jù)輸入的100MHz時(shí)鐘和輸入的RX數(shù)據(jù)流生成250MHz的時(shí)鐘PCLK。PHY將PCLK提供給MAC發(fā)送數(shù)據(jù)（從MAC到PHY）和接收數(shù)據(jù)（從PHY到MAC）都同步于PCLK。對(duì)于PCIe，MAC的接收和發(fā)送電路工作在同一個(gè)時(shí)鐘域。對(duì)于其他串行總線結(jié)構(gòu)，如SATA收發(fā)電路時(shí)鐘可能不同。在SATA中，發(fā)送和接收時(shí)鐘是不同的，屬于異步時(shí)鐘。

發(fā)送路徑的微結(jié)構(gòu)MAC和PHY PCS之間的接口是標(biāo)準(zhǔn)的，雖然這不一定必要，但標(biāo)準(zhǔn)化有利于IP核的開發(fā)，可提高不同芯片廠商IP核之間的互操作性。對(duì)于PCIe來說，該接口被稱為PIPE接口。

MAC提供的發(fā)送數(shù)據(jù)的位寬為8比特或16比特。PCLK的頻率與數(shù)據(jù)總線的位寬有直接關(guān)系，數(shù)據(jù)位寬為8比特時(shí)，PCLK為250MHz數(shù)據(jù)位寬為16比特時(shí)，PCLK為125MHz，如圖所示。

這兩個(gè)頻率是PCIe Genl所使用的，在Gen2中，二者都進(jìn)行了翻倍。位寬變換電路模塊可以將16比特的數(shù)據(jù)位寬轉(zhuǎn)換成8比特的位寬，接著將其送入8b/10b編碼器。編碼器將每個(gè)8比特的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為10比特的編碼值并將其傳遞到PHY的PMA層。PMA層使用一個(gè)高速時(shí)鐘（Genl時(shí)為2.5GHz，Gen2時(shí)為5GHz）進(jìn)一步將10比特的編碼結(jié)果轉(zhuǎn)換為單比特串行數(shù)據(jù)并通過TX信號(hào)線發(fā)出。

接收路徑的微結(jié)構(gòu)PMA接收電路實(shí)現(xiàn)比特提取和串并變換功能，將單比特的串行接收數(shù)據(jù)變換成為10比特的并行數(shù)據(jù)。

10比特的數(shù)據(jù)流從PMA接收電路進(jìn)入PCS接收電路。此時(shí)的10比特?cái)?shù)據(jù)流并非是字符對(duì)準(zhǔn)的。在PCS內(nèi)部，10比特?cái)?shù)據(jù)流先后進(jìn)入字符對(duì)準(zhǔn)電路、彈性緩沖區(qū)、10b/8b解碼電路并最終進(jìn)入可選的8b/16b轉(zhuǎn)換電路。

字符對(duì)準(zhǔn)

PCIe接收的數(shù)據(jù)是以10比特的字符為組成單位的。PMA接收電路將接收數(shù)據(jù)組成10比特字符時(shí)沒有按照字符邊界進(jìn)行。字符對(duì)準(zhǔn)邏輯電路查找COMMA字符并以它為基礎(chǔ)進(jìn)行字符邊界對(duì)準(zhǔn)。對(duì)準(zhǔn)后的字符流被送入彈性緩沖區(qū)，如圖所示。

彈性緩沖區(qū)

PCIe鏈路兩端所使用時(shí)鐘的標(biāo)稱值均為250MHz。它們可以使用平臺(tái)提供的同一個(gè)時(shí)鐘，或者選擇它們自帶的時(shí)鐘源來生成250MHz的工作時(shí)鐘。當(dāng)使用相互獨(dú)立的時(shí)鐘時(shí)，它們之間會(huì)有微小的偏差（偏差可能非常微小，但不會(huì)為0），此時(shí)，經(jīng)過一段時(shí)間之后，會(huì)造成數(shù)據(jù)的上溢或下溢?？偩€一端的時(shí)鐘頻率可能比另一端略微高一些，頻率低的一端會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)上溢，頻率高的一端會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)下溢。串行總線中使用彈性緩沖區(qū)來處理時(shí)鐘頻率上的微小差別。我們將對(duì)PCIe和SATA中的彈性緩沖區(qū)加以介紹。

位寬為10比特的接收符號(hào)流被寫入一個(gè)FIFO。按照PCIe協(xié)議，在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)按照一定的間隔定期發(fā)送填充包（稱為SKIP集合）。這些填充包可以在不影響數(shù)據(jù)凈荷、編碼/解碼、擾碼/解擾碼的情況下快速插入和去除。寫入邏輯持續(xù)將10比特的字符寫入FIFO，讀岀邏輯持續(xù)將FIFO中的字符讀出。如果寫入速度比讀出速度快，F(xiàn)IFO中的數(shù)據(jù)深度將逐漸增加。

當(dāng)FIFO中的數(shù)據(jù)深度達(dá)到了預(yù)先設(shè)定的上限時(shí)，寫入邏輯會(huì)丟棄1個(gè)或多個(gè)SKIP字符。類似地，當(dāng)寫入速度低于讀出速度時(shí)，F(xiàn)IFO中的數(shù)據(jù)深度會(huì)逐漸降低，當(dāng)深度降至預(yù)先設(shè)定的下限時(shí)，讀出邏輯不再從FIFO中讀出數(shù)據(jù)，它會(huì)暫停讀出數(shù)據(jù)，同時(shí)向數(shù)據(jù)通路中插入一個(gè)SKIP符號(hào)。這里的FIFO就是彈性緩沖區(qū)，其內(nèi)部數(shù)據(jù)深度是變化的，可以用于調(diào)整讀寫時(shí)鐘頻率的微小偏差，如圖所示。

需要說明的是，這種工作機(jī)制可以用于處理微小的讀寫頻率偏差，不適合處理較大的頻率偏差（較大的時(shí)鐘偏差需要深度較大的彈性緩沖區(qū)并且會(huì)引入較大的延遲）。規(guī)范中對(duì)頻率偏差會(huì)提出限制，例如，PCIe中的頻率偏差應(yīng)小于300PPM。當(dāng)時(shí)鐘偏差被限定在一定PPM之內(nèi)時(shí)，SKIP出現(xiàn)的間隔就可以計(jì)算得到。

SATA使用了類似的機(jī)制，它會(huì)在每256個(gè)雙字之間插入兩個(gè)ALIGH原語。ALIGN原語根據(jù)兩邊的頻率差可以快速地被丟棄或插入。

10b/8b解碼和8b/16b轉(zhuǎn)換

彈性緩沖區(qū)的輸出進(jìn)入解碼器電路，它會(huì)將10比特的字符轉(zhuǎn)換成為8比特的數(shù)據(jù)。如果PCS-MAC接口數(shù)據(jù)通道寬度為16比特，那么需要將兩個(gè)連續(xù)的8比特?cái)?shù)據(jù)拼接起來構(gòu)成16比特的數(shù)據(jù)并送給接收MAC如果數(shù)據(jù)通路寬度為8比特，那么不需要做任何處理，直接送給接收MAC。

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