PCI Express交換及橋接芯片的設計

交換芯片擴展到橋接，Gen 2提供簡(jiǎn)化的機會(huì )

當I/O互連世界從PCI過(guò)渡到PCI Express (PCIe)時(shí)，橋接芯片扮演著(zhù)一個(gè)關(guān)鍵角色：為了允許設計人員繼續在基于PCIe的系統使用PCI及PCI-X。一旦大多數這些端點(diǎn)像預期那樣一開(kāi)始就使用PCIe，則由橋完成的互連將由交換芯片完成，而橋接器將使PCIe領(lǐng)域仍可采用老的PCI設計。

此次轉換帶來(lái)另外一個(gè)變化，設計正在向PCIe Gen 2及5GT/s性能移植，以實(shí)現下一代互連。一些公司已經(jīng)決定稱(chēng)這些PCIe交換芯片為“橋”。

PCIe至 PCI橋接功能的展望

傳統的PCI總線(xiàn)提供一種低成本、穩健且清晰的互連標準。對于大多數應用，從PCI向PCIe過(guò)渡降低了成本及功耗，需要更少的引腳數量，從而具有更小的外形和更強的性能。

于是，系統板及芯片組現在一般都有幾個(gè)PCIe槽和有限的PCI連接。PCIe至PCI橋可以在系統板及升級卡上提供額外的PCI 或 PCI-X槽。這可以使用普通的“前向模式”橋配置完成。一些橋也提供“反向模式”配置選項，其允許從已有PCI槽生成PCIe槽。這對更新老主板很有用。

從Gen 1到Gen 2

PCIe Gen 2使用相同數量的線(xiàn)提供高達兩倍的最大吞吐量，需要在兩個(gè)標準之間進(jìn)行橋接。此處，交換芯片可以用作橋，如圖1所示。其顯示了在根聯(lián)合體處帶兩個(gè)PCIe端口的Gen 2服務(wù)器芯片組，一個(gè)端口（x8端口）連接到Gen 2交換芯片。

圖1 Gen 2交換芯片用作從Gen 1 I/O到Gen 2根聯(lián)合體的橋

32線(xiàn)交換芯片配置有6個(gè)端口——一個(gè)上行x8 Gen 2端口及5個(gè)下行端口，下行都是x4 Gen 1端口。因此，交換芯片用作從Gen 1 I/O到Gen 2根聯(lián)合體的“橋”。

相似的系統可以進(jìn)行從Gen 2 I/O到Gen 1根聯(lián)合體的反向類(lèi)型橋接。因為交換芯片的上行端口僅僅運行在Gen 1模式，需要使用兩倍的線(xiàn)路在根聯(lián)合體中保持相同帶寬。另一方面，因為下行端口僅僅運行在Gen 2模式，每個(gè)槽只需要兩條線(xiàn)用于獲得相同的I/O帶寬，如圖1所示，其使用x4 Gen 1端口。

PCI至PCI橋經(jīng)常用于建立或添加PCI槽，允許從主機輸出到多個(gè)端點(diǎn)。圖2中，左側卡32位33MHz總線(xiàn)的最大吞吐量是125Mb/s，其中右側的x16 Gen 2槽提供8Gb/s。

圖2 PCI交換芯片可以取代橋用于增加輸出

圖形適配器正在發(fā)展，可以為不斷增加的復雜游戲及視頻提供更高的性能。一種方法是設計人員通過(guò)在單卡上部署多個(gè)GPU實(shí)現。這是輸出使用該模型的另外一個(gè)示例，但連接到GPU的下行端口是x16，可以獲得最大帶寬。此示例中，需要注意：在這些雙GPU卡中的相關(guān)文獻中，輸出交換芯片經(jīng)常指一個(gè)“橋”，容易在I/O領(lǐng)域造成混淆。

在其他應用中，如光纖信道主機總線(xiàn)適配器（HBA），不需要x16 Gen 2鏈路的全部帶寬（到目前為止）。然而，使用Gen 2鏈路可以使用更少的線(xiàn)路獲得給定帶寬，降低引腳數量及板空間，簡(jiǎn)化布局及成本，并可以得到更小的外形。

對于操作系統，PCIe交換芯片像一個(gè)橋

當PCIe交換芯片用于系統中根聯(lián)合體的輸出時(shí)，對于操作系統來(lái)說(shuō)，每個(gè)交換芯片端口將像一個(gè)橋頭，如圖3所示。這反映了PCIe保持與PCI軟件向后兼容性的能力，因此，如果隨著(zhù)接口的改變功能沒(méi)有增加，則從PCI到PCIe移植需要新的驅動(dòng)程序。

圖3中拓撲可以在兩種情況下觀(guān)察。在老PCI系統中，系統通過(guò)主橋到三個(gè)橋下行輸出，可以允許幾個(gè)I/O設備聚集到系統主機總線(xiàn)上。如果需要域隔離，則部署非透明的(NT) PCI至PCI橋。

圖3 PCIe交換芯片形成一個(gè)橋架構

如果標準PCI至PCI橋允許主機看到后面的端點(diǎn)，則NT橋看起來(lái)就像一個(gè)到主機的端點(diǎn)，并且可以防止主機列舉NT橋后面的設備。NT橋允許打開(kāi)窗口以交換數據，同時(shí)隔離其后的處理器及內存空間。

透明橋允許系統以電氣隔離單獨的總線(xiàn)，這些橋在配置狀態(tài)寄存器（CSR）中使用1型頭以表示存在額外設備下行。

而NT橋保持處理器域的電氣及邏輯隔離。通過(guò)使用地址轉換，NT橋將處理從一個(gè)橋一側中轉到另外一側。他們使用CSR中的0型頭以終止被主機發(fā)現。

帶交換芯片的非透明橋接

至PCI橋，當今，許多PCIe交換芯片允許一個(gè)端口配置為一個(gè)NT“橋”，如圖4所示。此操作與NT橋一樣，只有這時(shí)該功能執行為一個(gè)交換芯片端口的配置選項。

圖4 PCIe故障恢復系統可以利用非透明配置

如果應用中交換芯片已經(jīng)取代傳統橋，則此應用為雙主機故障恢復系統。如圖4所示，每個(gè)系統中配置兩個(gè)CPU，一個(gè)配置為主機，另外一個(gè)作為備用機，當主機發(fā)生故障時(shí)才使用。NT橋可以提供備用機和主機CPU間的域隔離。

除雙主機故障恢復系統外，使用NT橋接的應用包括帶嵌入CPU的插卡，如網(wǎng)絡(luò )安全處理器、RAID控制器及線(xiàn)卡。

交換芯片不止用于橋接

除了取代橋外，最新的Gen 2交換芯片已經(jīng)部署了幾個(gè)新功能，可以增強系統性能并簡(jiǎn)化設計/調試，包括讀取調步及重鑄功能，兩種方法都增強吞吐量并減少流量擁塞，使用橋接不可能實(shí)現此功能。另外，系統調試功能，如包生成器、SerDes眼圖測量及性能監測功能都在Gen 2交換芯片中配置，從而無(wú)須外部?jì)x器就可以?xún)?yōu)化性能。