PCIe總線概述

　　隨著現(xiàn)代處理器技術(shù)的發(fā)展，在互連領(lǐng)域中，使用高速差分總線替代并行總線是大勢(shì)所趨。與單端并行信號(hào)相比，高速差分信號(hào)可以使用更高的時(shí)鐘頻率，從而使用更少的信號(hào)線，完成之前需要許多單端并行數(shù)據(jù)信號(hào)才能達(dá)到的總線帶寬。

　　PCI Express是新一代的總線接口。早在2001年的春季，英特爾公司就提出了要用新一代的技術(shù)取代PCI總線和多種芯片的內(nèi)部連接，并稱之為第三代I/O總線技術(shù)。隨后在2001年底，包括Intel、AMD、DELL、IBM在內(nèi)的20多家業(yè)界主導(dǎo)公司開始起草新技術(shù)的規(guī)范，并在2002年完成，對(duì)其正式命名為PCI Express。它采用了目前業(yè)內(nèi)流行的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)串行連接，比起PCI以及更早期的計(jì)算機(jī)總線的共享并行架構(gòu)，每個(gè)設(shè)備都有自己的專用連接，不需要向整個(gè)總線請(qǐng)求帶寬，而且可以把數(shù)據(jù)傳輸率提高到一個(gè)很高的頻率，達(dá)到PCI所不能提供的高帶寬。

　　PCI總線使用并行總線結(jié)構(gòu)，在同一條總線上的所有外部設(shè)備共享總線帶寬，而PCIe總線使用了高速差分總線，并采用端到端的連接方式，因此在每一條PCIe鏈路中只能連接兩個(gè)設(shè)備。這使得PCIe與PCI總線采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有所不同。PCIe總線除了在連接方式上與PCI總線不同之外，還使用了一些在網(wǎng)絡(luò)通信中使用的技術(shù)，如支持多種數(shù)據(jù)路由方式，基于多通路的數(shù)據(jù)傳遞方式，和基于報(bào)文的數(shù)據(jù)傳送方式，并充分考慮了在數(shù)據(jù)傳送中出現(xiàn)服務(wù)質(zhì)量QoS （Quality of Service）問(wèn)題。

　　PCIe總線的基礎(chǔ)知識(shí)

　　與PCI總線不同，PCIe總線使用端到端的連接方式，在一條PCIe鏈路的兩端只能各連接一個(gè)設(shè)備，這兩個(gè)設(shè)備互為是數(shù)據(jù)發(fā)送端和數(shù)據(jù)接收端。PCIe總線除了總線鏈路外，還具有多個(gè)層次，發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)將通過(guò)這些層次，而接收端接收數(shù)據(jù)時(shí)也使用這些層次。PCIe總線使用的層次結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧較為類似。

　　1.1 端到端的數(shù)據(jù)傳遞

　　PCIe鏈路使用“端到端的數(shù)據(jù)傳送方式”，發(fā)送端和接收端中都含有TX（發(fā)送邏輯）和RX（接收邏輯），其結(jié)構(gòu)如圖41所示。

　　由上圖所示，在PCIe總線的物理鏈路的一個(gè)數(shù)據(jù)通路（Lane）中，由兩組差分信號(hào)，共4根信號(hào)線組成。其中發(fā)送端的TX部件與接收端的RX部件使用一組差分信號(hào)連接，該鏈路也被稱為發(fā)送端的發(fā)送鏈路，也是接收端的接收鏈路；而發(fā)送端的RX部件與接收端的TX部件使用另一組差分信號(hào)連接，該鏈路也被稱為發(fā)送端的接收鏈路，也是接收端的發(fā)送鏈路。一個(gè)PCIe鏈路可以由多個(gè)Lane組成。

　　高速差分信號(hào)電氣規(guī)范要求其發(fā)送端串接一個(gè)電容，以進(jìn)行AC耦合。該電容也被稱為AC耦合電容。PCIe鏈路使用差分信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，一個(gè)差分信號(hào)由D+和D-兩根信號(hào)組成，信號(hào)接收端通過(guò)比較這兩個(gè)信號(hào)的差值，判斷發(fā)送端發(fā)送的是邏輯“1”還是邏輯“0”。

　　與單端信號(hào)相比，差分信號(hào)抗干擾的能力更強(qiáng)，因?yàn)椴罘中盘?hào)在布線時(shí)要求“等長(zhǎng)”、“等寬”、“貼近”，而且在同層。因此外部干擾噪聲將被“同值”而且“同時(shí)”加載到D+和D-兩根信號(hào)上，其差值在理想情況下為0，對(duì)信號(hào)的邏輯值產(chǎn)生的影響較小。因此差分信號(hào)可以使用更高的總線頻率。

　　此外使用差分信號(hào)能有效抑制電磁干擾EMI（Electro Magnetic Interference）。由于差分信號(hào)D+與D-距離很近而且信號(hào)幅值相等、極性相反。這兩根線與地線間耦合電磁場(chǎng)的幅值相等，將相互抵消，因此差分信號(hào)對(duì)外界的電磁干擾較小。當(dāng)然差分信號(hào)的缺點(diǎn)也是顯而易見的，一是差分信號(hào)使用兩根信號(hào)傳送一位數(shù)據(jù)；二是差分信號(hào)的布線相對(duì)嚴(yán)格一些。

　　PCIe鏈路可以由多條Lane組成，目前PCIe鏈路可以支持1、2、4、8、12、16和32個(gè)Lane，即×1、×2、×4、×8、×12、×16和×32寬度的PCIe鏈路。每一個(gè)Lane上使用的總線頻率與PCIe總線使用的版本相關(guān)。

　　第1個(gè)PCIe總線規(guī)范為V1.0，之后依次為V1.0a，V1.1，V2.0和V2.1。目前PCIe總線的最新規(guī)范為V2.1，而V3.0正在開發(fā)過(guò)程中，預(yù)計(jì)在2010年發(fā)布。不同的PCIe總線規(guī)范所定義的總線頻率和鏈路編碼方式并不相同，如表41所示。

　　表41 PCIe總線規(guī)范與總線頻率和編碼的關(guān)系

　　如上表所示，不同的PCIe總線規(guī)范使用的總線頻率并不相同，其使用的數(shù)據(jù)編碼方式也不相同。PCIe總線V1.x和V2.0規(guī)范在物理層中使用8/10b編碼，即在PCIe鏈路上的10 bit中含有8 bit的有效數(shù)據(jù)；而V3.0規(guī)范使用128/130b編碼方式，即在PCIe鏈路上的130 bit中含有128 bit的有效數(shù)據(jù)。

　　由上表所示，V3.0規(guī)范使用的總線頻率雖然只有4GHz，但是其有效帶寬是V2.x的兩倍。下文將以V2.x規(guī)范為例，說(shuō)明不同寬度PCIe鏈路所能提供的峰值帶寬，如表42所示。

　　表42 PCIe總線的峰值帶寬

　　由上表所示，×32的PCIe鏈路可以提供160GT/s的鏈路帶寬，遠(yuǎn)高于PCI/PCI-X總線所能提供的峰值帶寬。而即將推出的PCIe V3.0規(guī)范使用4GHz的總線頻率，將進(jìn)一步提高PCIe鏈路的峰值帶寬。

　　在PCIe總線中，使用GT（Gigatransfer）計(jì)算PCIe鏈路的峰值帶寬。GT是在PCIe鏈路上傳遞的峰值帶寬，其計(jì)算公式為總線頻率×數(shù)據(jù)位寬×2。

　　在PCIe總線中，影響有效帶寬的因素有很多，因而其有效帶寬較難計(jì)算。盡管如此，PCIe總線提供的有效帶寬還是遠(yuǎn)高于PCI總線。PCIe總線也有其弱點(diǎn)，其中最突出的問(wèn)題是傳送延時(shí)。

　　PCIe鏈路使用串行方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，然而在芯片內(nèi)部，數(shù)據(jù)總線仍然是并行的，因此PCIe鏈路接口需要進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，這種串并轉(zhuǎn)換將產(chǎn)生較大的延時(shí)。除此之外PCIe總線的數(shù)據(jù)報(bào)文需要經(jīng)過(guò)事務(wù)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，這些數(shù)據(jù)報(bào)文在穿越這些層次時(shí)，也將帶來(lái)延時(shí)。

　　在基于PCIe總線的設(shè)備中，×1的PCIe鏈路最為常見，而×12的PCIe鏈路極少出現(xiàn)，×4和×8的PCIe設(shè)備也不多見。Intel通常在ICH中集成了多個(gè)×1的PCIe鏈路用來(lái)連接低速外設(shè)，而在MCH中集成了一個(gè)×16的PCIe鏈路用于連接顯卡控制器。而PowerPC處理器通常能夠支持×8、×4、×2和×1的PCIe鏈路。

　　PCIe總線物理鏈路間的數(shù)據(jù)傳送使用基于時(shí)鐘的同步傳送機(jī)制，但是在物理鏈路上并沒(méi)有時(shí)鐘線，PCIe總線的接收端含有時(shí)鐘恢復(fù)模塊CDR（Clock Data Recovery），CDR將從接收?qǐng)?bào)文中提取接收時(shí)鐘，從而進(jìn)行同步數(shù)據(jù)傳遞。

　　值得注意的是，在一個(gè)PCIe設(shè)備中除了需要從報(bào)文中提取時(shí)鐘外，還使用了REFCLK+和REFCLK-信號(hào)對(duì)作為本地參考時(shí)鐘。

　　PCI Express總線技術(shù)的演進(jìn)過(guò)程

　　PCI Express總線技術(shù)的演進(jìn)過(guò)程，實(shí)際上是計(jì)算系統(tǒng)I/O接口速率演進(jìn)的過(guò)程。PCI總線是一種33MHz@32bit或者66MHz@64bit的并行總線，總線帶寬為133MB/s到最大533MB/s，連接在PCI總線上的所有設(shè)備共享133MB/s～533MB/s帶寬。這種總線用來(lái)應(yīng)付聲卡、10/100M網(wǎng)卡以及USB 1.1等接口基本不成問(wèn)題。隨著計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，新一代的I/O接口大量涌現(xiàn)，比如千兆（GE）、萬(wàn)兆（10GE）的以太網(wǎng)技術(shù)、4G/8G的FC技術(shù)，使得PCI總線的帶寬已經(jīng)無(wú)力應(yīng)付計(jì)算系統(tǒng)內(nèi)部大量高帶寬并行讀寫的要求，PCI總線也成為系統(tǒng)性能提升的瓶頸，于是就出現(xiàn)了PCI Express總線。

　　PCI Express總線是一種完全不同于過(guò)去PCI總線的一種全新總線規(guī)范，與PCI總線共享并行架構(gòu)相比，PCI Express總線是一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)串行連接的設(shè)備連接方式，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)意味著每一個(gè)PCI Express設(shè)備都擁有自己獨(dú)立的數(shù)據(jù)連接，各個(gè)設(shè)備之間并發(fā)的數(shù)據(jù)傳輸互不影響，而對(duì)于過(guò)去PCI那種共享總線方式，PCI總線上只能有一個(gè)設(shè)備進(jìn)行通信，一旦PCI總線上掛接的設(shè)備增多，每個(gè)設(shè)備的實(shí)際傳輸速率就會(huì)下降，性能得不到保證。PCI Express以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式處理通信，每個(gè)設(shè)備在要求傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)候各自建立自己的傳輸通道，對(duì)于其他設(shè)備這個(gè)通道是封閉的，這樣的操作保證了通道的專有性，避免其他設(shè)備的干擾。以串行方式提升頻率增進(jìn)效能，關(guān)鍵的限制在于采用什么樣的物理傳輸介質(zhì)。人們普遍采用銅線路，而理論上銅這個(gè)材質(zhì)可以提供的傳輸極限是10 Gbps。這也就是為什么PCI Express的極限傳輸速度的答案。

　　在傳輸速率方面，PCI Express總線利用串行的連接特點(diǎn)將能輕松將數(shù)據(jù)傳輸速度提到一個(gè)很高的頻率，達(dá)到遠(yuǎn)超出PCI總線的傳輸速率。PCI Express的接口根據(jù)總線位寬不同而有所差異，包括x1、x4、x8以及x16（x2模式將用于內(nèi)部接口而非插槽模式），其中X1的傳輸速度為250MB/s，而X16就是等于16倍于X1的速度，即是4GB/s。與此同時(shí)，PCI Express總線支持雙向傳輸模式，還可以運(yùn)行全雙工模式，它的雙單工連接能提供更高的傳輸速率和質(zhì)量，它們之間的差異跟半雙工和全雙工類似。因此連接的每個(gè)裝置都可以使用最大帶寬，PCI Express接口設(shè)備將有著比PCI設(shè)備優(yōu)越的多的資源可用。

　　除了這些，PCI Express設(shè)備能夠支持熱拔插以及熱交換特性，支持的三種電壓分別為+3.3V、3.3Vaux以及+12V。考慮到顯卡功耗的日益上漲，PCI Express而后在規(guī)范中改善了直接從插槽中取電的功率限制，16x的最大提供功率達(dá)到了70W，比AGP 8X接口有了很大的提高?；究梢詽M足未來(lái)中高端顯卡的需求。

　　可以看到PCI Express只是南橋的擴(kuò)展總線，它與操作系統(tǒng)無(wú)關(guān)，所以也保證了它與原有PCI的兼容性，也就是說(shuō)在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)在主板上PCI Express接口將和PCI接口共存，這也給用戶的升級(jí)帶來(lái)了方便。由此可見，PCI Express最大的意義在于它的通用性，不僅可以讓它用于南橋和其他設(shè)備的連接，也可以延伸到芯片組間的連接，甚至也可以用于連接圖形芯片，這樣，整個(gè)I/O系統(tǒng)將重新統(tǒng)一起來(lái)，將更進(jìn)一步簡(jiǎn)化計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，增加計(jì)算機(jī)的可移植性和模塊化。PCI Express已經(jīng)為PC的未來(lái)發(fā)展重新鋪設(shè)好了路基，下面就要看PCI Express產(chǎn)品的應(yīng)用情況了。

　　PCI Express 2.0是PCI Express總線家族中的第二代版本。其中第一代的PCI Express 1.0標(biāo)志于2002年正式發(fā)布，它采用高速串行工作原理，接口傳輸速率達(dá)到2.5GHz，而PCI Express 2.0則在1.0版本基礎(chǔ)上更進(jìn)了一步，將接口速率提升到了5GHz，傳輸性能也翻了一番。新一代芯片組產(chǎn)品均可支持PCI Express 2.0總線技術(shù)，X1模式的擴(kuò)展口帶寬總和可達(dá)到1GB/s，X16圖形接口更可以達(dá)到16GB/s的驚人帶寬值。

　　在對(duì)可制造性、成本、功耗、復(fù)雜性、兼容性等諸多方面進(jìn)行綜合、平衡之后，PCI-E 3.0規(guī)范將數(shù)據(jù)傳輸率提升到8GHz（最初也預(yù)想過(guò)10GHz），并保持了對(duì)PCI-E 2.x/1.x的向下兼容，繼續(xù)支持2.5GHz、5GHz信號(hào)機(jī)制?；诖?，PCI-E 3.0架構(gòu)單信道（x1）單向帶寬即可接近1GB/s，十六信道（x16）雙向帶寬更是可達(dá)32GB/s。

　　PCI-E 3.0同時(shí)還特別增加了128b/130b解碼機(jī)制，可以確保幾乎100%的傳輸效率，相比此前版本的8b/10b機(jī)制提升了25%，從而促成了傳輸帶寬的翻番，延續(xù)了PCI-E規(guī)范的一貫傳統(tǒng)。

　　PCIe總線使用的信號(hào)

　　PCIe設(shè)備使用兩種電源信號(hào)供電，分別是Vcc與Vaux，其額定電壓為3.3V。其中Vcc為主電源，PCIe設(shè)備使用的主要邏輯模塊均使用Vcc供電，而一些與電源管理相關(guān)的邏輯使用Vaux供電。在PCIe設(shè)備中，一些特殊的寄存器通常使用Vaux供電，如Sticky Register，此時(shí)即使PCIe設(shè)備的Vcc被移除，這些與電源管理相關(guān)的邏輯狀態(tài)和這些特殊寄存器的內(nèi)容也不會(huì)發(fā)生改變。

　　在PCIe總線中，使用Vaux的主要原因是為了降低功耗和縮短系統(tǒng)恢復(fù)時(shí)間。因?yàn)閂aux在多數(shù)情況下并不會(huì)被移除，因此當(dāng)PCIe設(shè)備的Vcc恢復(fù)后，該設(shè)備不用重新恢復(fù)使用Vaux供電的邏輯，從而設(shè)備可以很快地恢復(fù)到正常工作狀狀態(tài)。

　　PCIe鏈路的最大寬度為×32，但是在實(shí)際應(yīng)用中，×32的鏈路寬度極少使用。在一個(gè)處理器系統(tǒng)中，一般提供×16的PCIe插槽，并使用PETp0~15、PETn0~15和PERp0~15、PERn0~15共64根信號(hào)線組成32對(duì)差分信號(hào)，其中16對(duì)PETxx信號(hào)用于發(fā)送鏈路，另外16對(duì)PERxx信號(hào)用于接收鏈路。除此之外PCIe總線還使用了下列輔助信號(hào)。

　　1 PERST#信號(hào)

　　該信號(hào)為全局復(fù)位信號(hào)，由處理器系統(tǒng)提供，處理器系統(tǒng)需要為PCIe插槽和PCIe設(shè)備提供該復(fù)位信號(hào)。PCIe設(shè)備使用該信號(hào)復(fù)位內(nèi)部邏輯。當(dāng)該信號(hào)有效時(shí)，PCIe設(shè)備將進(jìn)行復(fù)位操作。PCIe總線定義了多種復(fù)位方式，其中Cold Reset和Warm Reset這兩種復(fù)位方式的實(shí)現(xiàn)與該信號(hào)有關(guān)，詳見第1.5節(jié)。

　　2 REFCLK+和REFCLK-信號(hào)

　　在一個(gè)處理器系統(tǒng)中，可能含有許多PCIe設(shè)備，這些設(shè)備可以作為Add-In卡與PCIe插槽連接，也可以作為內(nèi)置模塊，與處理器系統(tǒng)提供的PCIe鏈路直接相連，而不需要經(jīng)過(guò)PCIe插槽。PCIe設(shè)備與PCIe插槽都具有REFCLK+和REFCLK-信號(hào)，其中PCIe插槽使用這組信號(hào)與處理器系統(tǒng)同步。

　　在一個(gè)處理器系統(tǒng)中，通常采用專用邏輯向PCIe插槽提供REFCLK+和REFCLK-信號(hào)，如圖42所示。其中100Mhz的時(shí)鐘源由晶振提供，并經(jīng)過(guò)一個(gè)“一推多”的差分時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器生成多個(gè)同相位的時(shí)鐘源，與PCIe插槽一一對(duì)應(yīng)連接。

　　PCIe插槽需要使用參考時(shí)鐘，其頻率范圍為100MHz±300ppm。處理器系統(tǒng)需要為每一個(gè)PCIe插槽、MCH、ICH和Switch提供參考時(shí)鐘。而且要求在一個(gè)處理器系統(tǒng)中，時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的參考時(shí)鐘信號(hào)到每一個(gè)PCIe插槽（MCH、ICH和Swith）的距離差在15英寸之內(nèi)。通常信號(hào)的傳播速度接近光速，約為6英寸/ns，由此可見，不同PCIe插槽間REFCLK+和REFCLK-信號(hào)的傳送延時(shí)差約為2.5ns。

　　當(dāng)PCIe設(shè)備作為Add-In卡連接在PCIe插槽時(shí)，可以直接使用PCIe插槽提供的REFCLK+和REFCLK-信號(hào)，也可以使用獨(dú)立的參考時(shí)鐘，只要這個(gè)參考時(shí)鐘在100MHz±300ppm范圍內(nèi)即可。內(nèi)置的PCIe設(shè)備與Add-In卡在處理REFCLK+和REFCLK-信號(hào)時(shí)使用的方法類似，但是PCIe設(shè)備可以使用獨(dú)立的參考時(shí)鐘，而不使用REFCLK+和REFCLK-信號(hào)。

　　在PCIe設(shè)備配置空間的Link Control Register中，含有一個(gè)“Common Clock Configuration”位。當(dāng)該位為1時(shí)，表示該設(shè)備與PCIe鏈路的對(duì)端設(shè)備使用“同相位”的參考時(shí)鐘；如果為0，表示該設(shè)備與PCIe鏈路的對(duì)端設(shè)備使用的參考時(shí)鐘是異步的。

　　在PCIe設(shè)備中，“Common Clock Configuration”位的缺省值為0，此時(shí)PCIe設(shè)備使用的參考時(shí)鐘與對(duì)端設(shè)備沒(méi)有任何聯(lián)系，PCIe鏈路兩端設(shè)備使用的參考時(shí)鐘可以異步設(shè)置。這個(gè)異步時(shí)鐘設(shè)置方法對(duì)于使用PCIe鏈路進(jìn)行遠(yuǎn)程連接時(shí)尤為重要。

　　在一個(gè)處理器系統(tǒng)中，如果使用PCIe鏈路進(jìn)行機(jī)箱到機(jī)箱間的互連，因?yàn)閰⒖紩r(shí)鐘可以異步設(shè)置，機(jī)箱到機(jī)箱之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)僅需要差分信號(hào)線即可，而不需要參考時(shí)鐘，從而極大降低了連接難度。

　　3 WAKE#信號(hào)

　　當(dāng)PCIe設(shè)備進(jìn)入休眠狀態(tài)，主電源已經(jīng)停止供電時(shí)，PCIe設(shè)備使用該信號(hào)向處理器系統(tǒng)提交喚醒請(qǐng)求，使處理器系統(tǒng)重新為該P(yáng)CIe設(shè)備提供主電源Vcc。在PCIe總線中，WAKE#信號(hào)是可選的，因此使用WAKE#信號(hào)喚醒PCIe設(shè)備的機(jī)制也是可選的。值得注意的是產(chǎn)生該信號(hào)的硬件邏輯必須使用輔助電源Vaux供電。

　　WAKE#是一個(gè)Open Drain信號(hào)，一個(gè)處理器的所有PCIe設(shè)備可以將WAKE#信號(hào)進(jìn)行線與后，統(tǒng)一發(fā)送給處理器系統(tǒng)的電源控制器。當(dāng)某個(gè)PCIe設(shè)備需要被喚醒時(shí)，該設(shè)備首先置WAKE#信號(hào)有效，然后在經(jīng)過(guò)一段延時(shí)之后，處理器系統(tǒng)開始為該設(shè)備提供主電源Vcc，并使用PERST#信號(hào)對(duì)該設(shè)備進(jìn)行復(fù)位操作。此時(shí)WAKE#信號(hào)需要始終保持為低，當(dāng)主電源Vcc上電完成之后，PERST#信號(hào)也將置為無(wú)效并結(jié)束復(fù)位，WAKE#信號(hào)也將隨之置為無(wú)效，結(jié)束整個(gè)喚醒過(guò)程。

　　PCIe設(shè)備除了可以使用WAKE#信號(hào)實(shí)現(xiàn)喚醒功能外，還可以使用Beacon信號(hào)實(shí)現(xiàn)喚醒功能。與WAKE#信號(hào)實(shí)現(xiàn)喚醒功能不同，Beacon使用In-band信號(hào)，即差分信號(hào)D+和D-實(shí)現(xiàn)喚醒功能。Beacon信號(hào)DC平衡，由一組通過(guò)D+和D-信號(hào)生成的脈沖信號(hào)組成。這些脈沖信號(hào)寬度的最小值為2ns，最大值為16us。當(dāng)PCIe設(shè)備準(zhǔn)備退出L2狀態(tài)（該狀態(tài)為PCIe設(shè)備使用的一種低功耗狀態(tài)）時(shí)，可以使用Beacon信號(hào)，提交喚醒請(qǐng)求。

　　4 SMCLK和SMDAT信號(hào)

　　SMCLK和SMDAT信號(hào)與x86處理器的SMBus（System Mangement Bus）相關(guān)。SMBus于1995年由Intel提出，SMBus由SMCLK和SMDAT信號(hào)組成。SMBus源于I2C總線，但是與I2C總線存在一些差異。

　　SMBus的最高總線頻率為100KHz，而I2C總線可以支持400KHz和2MHz的總線頻率。此外SMBus上的從設(shè)備具有超時(shí)功能，當(dāng)從設(shè)備發(fā)現(xiàn)主設(shè)備發(fā)出的時(shí)鐘信號(hào)保持低電平超過(guò)35ms時(shí)，將引發(fā)從設(shè)備的超時(shí)復(fù)位。在正常情況下，SMBus的主設(shè)備使用的總線頻率最低為10KHz，以避免從設(shè)備在正常使用過(guò)程中出現(xiàn)超時(shí)。

　　在SMbus中，如果主設(shè)備需要復(fù)位從設(shè)備時(shí)，可以使用這種超時(shí)機(jī)制。而I2C總線只能使用硬件信號(hào)才能實(shí)現(xiàn)這種復(fù)位操作，在I2C總線中，如果從設(shè)備出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，單純通過(guò)主設(shè)備是無(wú)法復(fù)位從設(shè)備的。

　　SMBus還支持Alert Response機(jī)制。當(dāng)從設(shè)備產(chǎn)生一個(gè)中斷時(shí)，并不會(huì)立即清除該中斷，直到主設(shè)備向0b0001100地址發(fā)出命令。

　　上文所述的SMBus和I2C總線的區(qū)別還是局限于物理層和鏈路層上，實(shí)際上SMBus還含有網(wǎng)絡(luò)層。SMBus還在網(wǎng)絡(luò)層上定義了11種總線協(xié)議，用來(lái)實(shí)現(xiàn)報(bào)文傳遞。

　　SMBus在x86處理器系統(tǒng)中得到了大規(guī)模普及，其主要作用是管理處理器系統(tǒng)的外部設(shè)備，并收集外設(shè)的運(yùn)行信息，特別是一些與智能電源管理相關(guān)的信息。PCI和PCIe插槽也為SMBus預(yù)留了接口，以便于PCI/PCIe設(shè)備與處理器系統(tǒng)進(jìn)行交互。

　　在Linux系統(tǒng)中，SMBus得到了廣泛的應(yīng)用，ACPI也為SMBus定義了一系列命令，用于智能電池、電池充電器與處理器系統(tǒng)之間的通信。在Windows操作系統(tǒng)中，有關(guān)外部設(shè)備的描述信息，也是通過(guò)SMBus獲得的。

　　5 JTAG信號(hào)

　　JTAG（Joint Test Action Group）是一種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試協(xié)議，與IEEE 1149.1兼容，主要用于芯片內(nèi)部測(cè)試。目前絕大多數(shù)器件都支持JTAG測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。JTAG信號(hào)由TRST#、TCK、TDI、TDO和TMS信號(hào)組成。其中TRST#為復(fù)位信號(hào)；TCK為時(shí)鐘信號(hào)；TDI和TDO分別與數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出對(duì)應(yīng)；而TMS信號(hào)為模式選擇。

　　JTAG允許多個(gè)器件通過(guò)JTAG接口串聯(lián)在一起，并形成一個(gè)JTAG鏈。目前FPGA和EPLD可以借用JTAG接口實(shí)現(xiàn)在線編程ISP（In-System Programming）功能。處理器也可以使用JTAG接口進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)調(diào)試工作，如設(shè)置斷點(diǎn)、讀取內(nèi)部寄存器和存儲(chǔ)器等一系列操作。除此之外JTAG接口也可用作“逆向工程”，分析一個(gè)產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，因此在正式產(chǎn)品中，一般不保留JTAG接口。

　　6 PRSNT1#和PRSNT2#信號(hào)

　　PRSNT1#和PRSNT2#信號(hào)與PCIe設(shè)備的熱插拔相關(guān)。在基于PCIe總線的Add-in卡中，PRSNT1#和PRSNT2#信號(hào)直接相連，而在處理器主板中，PRSNT1#信號(hào)接地，而PRSNT2#信號(hào)通過(guò)上拉電阻接為高。PCIe設(shè)備的熱插拔結(jié)構(gòu)如圖43所示。

　　如上圖所示，當(dāng)Add-In卡沒(méi)有插入時(shí)，處理器主板的PRSNT2#信號(hào)由上拉電阻接為高，而當(dāng)Add-In卡插入時(shí)主板的PRSNT2#信號(hào)將與PRSNT1#信號(hào)通過(guò)Add-In卡連通，此時(shí)PRSNT2#信號(hào)為低。處理器主板的熱插拔控制邏輯將捕獲這個(gè)“低電平”，得知Add-In卡已經(jīng)插入，從而觸發(fā)系統(tǒng)軟件進(jìn)行相應(yīng)地處理。

　　Add-In卡拔出的工作機(jī)制與插入類似。當(dāng)Add-in卡連接在處理器主板時(shí)，處理器主板的PRSNT2#信號(hào)為低，當(dāng)Add-In卡拔出后，處理器主板的PRSNT2#信號(hào)為高。處理器主板的熱插拔控制邏輯將捕獲這個(gè)“高電平”，得知Add-In卡已經(jīng)被拔出，從而觸發(fā)系統(tǒng)軟件進(jìn)行相應(yīng)地處理。

　　不同的處理器系統(tǒng)處理PCIe設(shè)備熱拔插的過(guò)程并不相同，在一個(gè)實(shí)際的處理器系統(tǒng)中，熱拔插設(shè)備的實(shí)現(xiàn)也遠(yuǎn)比圖43中的示例復(fù)雜得多。值得注意的是，在實(shí)現(xiàn)熱拔插功能時(shí)，Add-in Card需要使用“長(zhǎng)短針”結(jié)構(gòu)。

　　如圖43所示，PRSNT1#和PRSNT2#信號(hào)使用的金手指長(zhǎng)度是其他信號(hào)的一半。因此當(dāng)PCIe設(shè)備插入插槽時(shí)，PRSNT1#和PRSNT2#信號(hào)在其他金手指與PCIe插槽完全接觸，并經(jīng)過(guò)一段延時(shí)后，才能與插槽完全接觸；當(dāng)PCIe設(shè)備從PCIe插槽中拔出時(shí)，這兩個(gè)信號(hào)首先與PCIe插槽斷連，再經(jīng)過(guò)一段延時(shí)后，其他信號(hào)才能與插槽斷連。系統(tǒng)軟件可以使用這段延時(shí)，進(jìn)行一些熱拔插處理。

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　　PCLe總線的層次結(jié)構(gòu)

　　PCIe總線采用了串行連接方式，并使用數(shù)據(jù)包（Packet）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，采用這種結(jié)構(gòu)有效去除了在PCI總線中存在的一些邊帶信號(hào)，如INTx和PME#等信號(hào)。在PCIe總線中，數(shù)據(jù)報(bào)文在接收和發(fā)送過(guò)程中，需要通過(guò)多個(gè)層次，包括事務(wù)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。PCIe總線的層次結(jié)構(gòu)如圖44所示。

　　PCIe總線的層次組成結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)中的層次結(jié)構(gòu)有類似之處，但是PCIe總線的各個(gè)層次都是使用硬件邏輯實(shí)現(xiàn)的。在PCIe體系結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)報(bào)文首先在設(shè)備的核心層（Device Core）中產(chǎn)生，然后再經(jīng)過(guò)該設(shè)備的事務(wù)層（Transaction Layer）、數(shù)據(jù)鏈路層（Data Link Layer）和物理層（Physical Layer），最終發(fā)送出去。而接收端的數(shù)據(jù)也需要通過(guò)物理層、數(shù)據(jù)鏈路和事務(wù)層，并最終到達(dá)Device Core。

　　1 事務(wù)層

　　事務(wù)層定義了PCIe總線使用總線事務(wù)，其中多數(shù)總線事務(wù)與PCI總線兼容。這些總線事務(wù)可以通過(guò)Switch等設(shè)備傳送到其他PCIe設(shè)備或者RC。RC也可以使用這些總線事務(wù)訪問(wèn)PCIe設(shè)備。

　　事務(wù)層接收來(lái)自PCIe設(shè)備核心層的數(shù)據(jù)，并將其封裝為TLP（Transaction Layer Packet）后，發(fā)向數(shù)據(jù)鏈路層。此外事務(wù)層還可以從數(shù)據(jù)鏈路層中接收數(shù)據(jù)報(bào)文，然后轉(zhuǎn)發(fā)至PCIe設(shè)備的核心層。

　　事務(wù)層的一個(gè)重要工作是處理PCIe總線的“序”。在PCIe總線中，“序”的概念非常重要，也較難理解。在PCIe總線中，事務(wù)層傳遞報(bào)文時(shí)可以亂序，這為PCIe設(shè)備的設(shè)計(jì)制造了不小的麻煩。事務(wù)層還使用流量控制機(jī)制保證PCIe鏈路的使用效率。有關(guān)事務(wù)層的詳細(xì)說(shuō)明見第6章。

　　2 數(shù)據(jù)鏈路層

　　數(shù)據(jù)鏈路層保證來(lái)自發(fā)送端事務(wù)層的報(bào)文可以可靠、完整地發(fā)送到接收端的數(shù)據(jù)鏈路層。來(lái)自事務(wù)層的報(bào)文在通過(guò)數(shù)據(jù)鏈路層時(shí)，將被添加Sequence Number前綴和CRC后綴。數(shù)據(jù)鏈路層使用ACK/NAK協(xié)議保證報(bào)文的可靠傳遞。

　　PCIe總線的數(shù)據(jù)鏈路層還定義了多種DLLP（Data Link Layer Packet），DLLP產(chǎn)生于數(shù)據(jù)鏈路層，終止于數(shù)據(jù)鏈路層。值得注意的是，TLP與DLLP并不相同，DLLP并不是由TLP加上Sequence Number前綴和CRC后綴組成的。

　　3 物理層

　　物理層是PCIe總線的最底層，將PCIe設(shè)備連接在一起。PCIe總線的物理電氣特性決定了PCIe鏈路只能使用端到端的連接方式。PCIe總線的物理層為PCIe設(shè)備間的數(shù)據(jù)通信提供傳送介質(zhì)，為數(shù)據(jù)傳送提供可靠的物理環(huán)境。

　　物理層是PCIe體系結(jié)構(gòu)最重要，也是最難以實(shí)現(xiàn)的組成部分。PCIe總線的物理層定義了LTSSM（Link Training and Status State Machine）狀態(tài)機(jī)，PCIe鏈路使用該狀態(tài)機(jī)管理鏈路狀態(tài)，并進(jìn)行鏈路訓(xùn)練、鏈路恢復(fù)和電源管理。

　　PCIe總線的物理層還定義了一些專門的“序列”，有的書籍將物理層這些“序列”稱為PLP（Phsical Layer Packer），這些序列用于同步PCIe鏈路，并進(jìn)行鏈路管理。值得注意的是PCIe設(shè)備發(fā)送PLP與發(fā)送TLP的過(guò)程有所不同。對(duì)于系統(tǒng)軟件而言，物理層幾乎不可見，但是系統(tǒng)程序員仍有必要較為深入地理解物理層的工作原理。

　　數(shù)據(jù)鏈路的擴(kuò)展

　　PCIe鏈路使用端到端的數(shù)據(jù)傳送方式。在一條PCIe鏈路中，這兩個(gè)端口是完全對(duì)等的，分別連接發(fā)送與接收設(shè)備，而且一個(gè)PCIe鏈路的一端只能連接一個(gè)發(fā)送設(shè)備或者接收設(shè)備。因此PCIe鏈路必須使用Switch擴(kuò)展PCIe鏈路后，才能連接多個(gè)設(shè)備。使用Switch進(jìn)行鏈路擴(kuò)展的實(shí)例如圖45所示。

　　在PCIe總線中，Switch［2］是一個(gè)特殊的設(shè)備，該設(shè)備由1個(gè)上游端口和2~n個(gè)下游端口組成。PCIe總線規(guī)定，在一個(gè)Switch中可以與RC直接或者間接相連［3］的端口為上游端口，在PCIe總線中，RC的位置一般在上方，這也是上游端口這個(gè)稱呼的由來(lái)。在Switch中除了上游端口外，其他所有端口都被稱為下游端口。下游端口一般與EP相連，或者連接下一級(jí)Switch繼續(xù)擴(kuò)展PCIe鏈路。其中與上游端口相連的PCIe鏈路被稱為上游鏈路，與下游端口相連的PCIe鏈路被稱為下游鏈路。

　　上游鏈路和下游鏈路是一個(gè)相對(duì)的概念。如上圖所示，Switch與EP2連接的PCIe鏈路，對(duì)于EP2而言是上游鏈路，而對(duì)Switch而言是下游鏈路。

　　在上圖所示的Switch中含有3個(gè)端口，其中一個(gè)是上游端口（Upstream Port），而其他兩個(gè)為下游端口（Downstream Port）。其中上游端口與RC或者其他Switch的下游端口相連，而下游端口與EP或者其他Switch的上游端口相連。

　　在Switch中，還有兩個(gè)與端口相關(guān)的概念，分別是Egress端口和Ingress端口。這兩個(gè)端口與通過(guò)Switch的數(shù)據(jù)流向有關(guān)。其中Egress端口指發(fā)送端口，即數(shù)據(jù)離開Switch使用的端口；Ingress端口指接收端口即數(shù)據(jù)進(jìn)入Switch使用的端口。

　　Egress端口和Ingress端口與上下游端口沒(méi)有對(duì)應(yīng)關(guān)系。在Switch中，上下游端口可以作為Egress端口，也可以作為Ingress端口。如圖45所示，RC對(duì)EP3的內(nèi)部寄存器進(jìn)行寫操作時(shí)，Switch的上游端口為Ingress端口，而下游端口為Egress端口；當(dāng)EP3對(duì)主存儲(chǔ)器進(jìn)行DMA寫操作時(shí)，該Switch的上游端口為Egress端口，而下游端口為Ingress端口。

　　PCIe總線還規(guī)定了一種特殊的Switch連接方式，即Crosslink連接模式。支持這種模式的Switch，其上游端口可以與其他Switch的上游端口連接，其下游端口可以與其他Switch的下游端口連接。

　　PCIe總線提供CrossLink連接模式的主要目的是為了解決不同處理器系統(tǒng)之間的互連，如圖46所示。使用CrossLink連接模式時(shí)，雖然從物理結(jié)構(gòu)上看，一個(gè)Switch的上/下游端口與另一個(gè)Switch的上/下游端口直接相連，但是這個(gè)PCIe鏈路經(jīng)過(guò)訓(xùn)練后，仍然是一個(gè)端口作為上游端口，而另一個(gè)作為下游端口。

　　處理器系統(tǒng)1與處理器系統(tǒng)2間的數(shù)據(jù)交換可以通過(guò)Crosslink進(jìn)行。當(dāng)處理器系統(tǒng)1（2）訪問(wèn)的PCI總線域的地址空間或者Requester ID不在處理器系統(tǒng)1（2）內(nèi)時(shí)，這些數(shù)據(jù)將被Crosslink端口接收，并傳遞到對(duì)端處理器系統(tǒng)中。Crosslink對(duì)端接口的P2P橋?qū)⒔邮諄?lái)自另一個(gè)處理器域的數(shù)據(jù)請(qǐng)求，并將其轉(zhuǎn)換為本處理器域的數(shù)據(jù)請(qǐng)求。

　　使用Crosslink方式連接兩個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完全相同的處理器系統(tǒng)時(shí)，仍然有不足之處。假設(shè)圖46中的處理器系統(tǒng)1和2的RC使用的ID號(hào)都為0，而主存儲(chǔ)器都是從0x0000-0000開始編址時(shí)。當(dāng)處理器1讀取EP2的某段PCI總線空間時(shí)，EP2將使用ID路由方式，將完成報(bào)文傳送給ID號(hào)為0的PCI設(shè)備，此時(shí)是處理器2的RC而不是處理器1的RC收到EP2的數(shù)據(jù)。因?yàn)樘幚砥?和2的RC使用的ID號(hào)都為0，EP2不能區(qū)分這兩個(gè)RC。

　　由上所述，使用Crosslink方式并不能完全解決兩個(gè)處理器系統(tǒng)的互連問(wèn)題，因此在有些Switch中支持非透明橋結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)與PCI總線非透明橋的實(shí)現(xiàn)機(jī)制類似，本章對(duì)此不做進(jìn)一步說(shuō)明。

　　使用非透明橋僅解決了兩個(gè)處理器間數(shù)據(jù)通路問(wèn)題，但是不便于NUMA結(jié)構(gòu)對(duì)外部設(shè)備的統(tǒng)一管理。PCIe總線對(duì)此問(wèn)題的最終解決方法是使用MR-IOV技術(shù)，該技術(shù)要求Switch具有多個(gè)上游端口分別與不同的RC互連。目前PLX公司已經(jīng)可以提供具有多個(gè)上游端口的Switch，但是尚未實(shí)現(xiàn)MR-IOV技術(shù)涉及的一些與虛擬化相關(guān)的技術(shù)。

　　即便MR-IOV技術(shù)可以合理解決多個(gè)處理器間的數(shù)據(jù)訪問(wèn)和對(duì)PCIe設(shè)備的配置管理，使用PCIe總線進(jìn)行兩個(gè)或者多個(gè)處理器系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳遞仍然是一個(gè)不小問(wèn)題。因?yàn)镻CIe總線的傳送延時(shí)仍然是制約其在大規(guī)模處理器系統(tǒng)互連中應(yīng)用的重要因素。

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