PCIe效能滿(mǎn)足功耗敏感性裝置與關(guān)鍵任務(wù)應用

在各種裝置應用中，優(yōu)越電源管理與錯誤處理能力有效提升了PCIe 功能，得以稱(chēng)職勝任儲存裝置、網(wǎng)絡(luò )、骨干及 I/O 互連技術(shù)的可靠表現。

應用廣泛的連接功能
服務(wù)器、儲存裝置及網(wǎng)絡(luò )市場(chǎng)目前經(jīng)常使用PCI Express（PCIe）互連各種裝置，工業(yè)自動(dòng)化、物聯(lián)網(wǎng)、消費性裝置及車(chē)用電子產(chǎn)品的骨干和I/O產(chǎn)品應用項目也紛紛正視其優(yōu)點(diǎn)，擴大采用PCIe。

為了滿(mǎn)足相關(guān)領(lǐng)域的用戶(hù)期望與生態(tài)設計要求，PCI特殊課題小組（PCI-SIG）在延續多重世代的規范里先后引進(jìn)了各種省電創(chuàng )新項目，以及提高可靠性、可用性、可維護性（RAS）的各式功能。

今日的PCIe 3.0切換器支持每個(gè)信道最高8GT/s的數據傳輸速度，結合大帶寬及最新的電源管理和RAS功能，滿(mǎn)足行動(dòng)與嵌入式產(chǎn)品應用項目的需求。

耗電量再降低

 
圖1 : PCIe的可擴充能力，容許設計人員配合產(chǎn)品應用項目，自定義使用中模式的接口帶寬與功耗。

由于有更多的攜帶式裝置、行動(dòng)裝置及物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品應用項目尋求善用PCIe屬性，裝置使用期間與待機狀態(tài)時(shí)的互連功耗自然成為日益關(guān)鍵的焦點(diǎn)。PCIe的可擴充能力，容許設計人員配合產(chǎn)品應用項目，自定義使用中模式的接口帶寬與功耗。Diodes Incorporated提供包括PI7C9X3G606GP、PI7C9X3G808GP和PI7C9X3G816GP在內的PCIe 3.0切換器系列，這些產(chǎn)品分別提供6、8和16個(gè)PCIe 3.0連接通道。

從PCIe 3.0這一代開(kāi)始，即是由鏈路訓練狀態(tài)機（LTSSM）訂定各種鏈路狀態(tài)，如此一來(lái)，就能確保裝置使用期間才會(huì )耗電，而在不使用之際，耗電量大幅節約，系統效能也不受影響。

L0是鏈路正常運作時(shí)的電源狀態(tài)。假如沒(méi)有傳輸數據，鏈路即進(jìn)入L1狀態(tài)，此時(shí)會(huì )關(guān)閉部分PCIe收發(fā)器邏輯。此外，只在單一方向傳輸數據的情況下，還有L0s這個(gè)狀態(tài)，專(zhuān)供鏈路上的兩個(gè)裝置獨立關(guān)閉發(fā)射器，從而滿(mǎn)足更細致的需求。

考慮到物理層里還有模擬電路，閑置之際每個(gè)通道還會(huì )消耗幾毫瓦，另行定義的另一個(gè)L1子狀態(tài)可供關(guān)閉模擬組件，確保最大化的節電效果。在L1.1的子狀態(tài)下，收發(fā)器PLL將會(huì )關(guān)閉，而L1.2子狀態(tài)則是關(guān)閉共模電壓保持器，進(jìn)一步降低功率。為了實(shí)現L1.1與L1.2的低功耗狀態(tài)，恢復延遲將會(huì )略為延長(cháng)。表 1 說(shuō)明L1和L1.1/L1.2子狀態(tài)的特性及效能。

 
圖2 : 比較 L1及L1子狀態(tài)的節電表現與效能。（source：synopsys）

為了達到這樣的效果，并且確保鏈路在需要之際進(jìn)入最合適的低功耗狀態(tài)以恢復運行，延遲容限報告（LTR）可供主機判斷在從任何特定裝置中斷服務(wù)前的最長(cháng)等待時(shí)間。至于緩沖區清空/填滿(mǎn)優(yōu)化（OBFF）功能，則允許主機將系統狀態(tài)信息發(fā)送予裝置，這樣就能關(guān)閉主機處理器和內存子系統，維持更長(cháng)的低功耗狀態(tài)，成就最大化的省電表現。

還有其他低功耗狀態(tài)可供選用，像是完全關(guān)閉收發(fā)器的L2與關(guān)閉收發(fā)器及移除電源的L3，相關(guān)狀態(tài)設定有助于在裝置閑置期間，確保PCIe互連電路的功耗降至最低。這對于物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品應用及筆記本電腦、平板計算機等設備來(lái)說(shuō)尤為重要，有效避免了裝置閑置期間的電池意外耗盡。

PCIe切換器PI7C9X3G606GP、PI7C9X3G808GP和PI7C9X3G816GP支持前述的低功耗鏈路狀態(tài)與子狀態(tài)，還能關(guān)閉任何空的熱插入埠，直到需要使用它們再行開(kāi)啟。憑借啟動(dòng)和連續運行的電源管理方案，它們在所有模式下的功耗都極低。在滿(mǎn)載和80°C接面溫度下，PI7C9X3G808GP的功耗僅為2.9W。相關(guān)裝置的工業(yè)溫度范圍為：-40°C至85°C。

新推出的切換器產(chǎn)品還特別內建了PCIe 3.0時(shí)鐘緩沖器，協(xié)助設計人員最佳調整產(chǎn)品應用項目的功能和效能。緩沖器支持各種PCIe 3.0參考頻率架構，包括通用、獨立參考無(wú)擴頻 （SRNS）和獨立參考擴頻（SRIS）。

在 PCIe 中針對 RAS 進(jìn)行尋址
在特定物聯(lián)網(wǎng)裝置與機器人當中，具備關(guān)鍵任務(wù)性質(zhì)或高度重視安全的產(chǎn)品應用項目，極為講求高度可靠性、可用性與可維修性。此時(shí)必須備妥合適機制，確保接口能在不斷變動(dòng)的內部或外部條件下正常運作，且在數據出錯過(guò)后也能恢復，重新正常運行。

在由PCIe規范的各種基本及選用功能里，涵蓋了確保端到端數據完整性的基本要求。其中包括用于偵測錯誤的 32 位逐個(gè)鏈路循環(huán)冗余代碼（LCRC），以及允許請求重放的確認機制 （ACK/NACK）。確認逾時(shí)證實(shí)鏈路伙伴正常運作，就可以在未接收情況下重新訓練鏈路。另有用于偵測端到端數據完整性的交易層32位CRC（ECRC）。此外，針對潛在逾時(shí)的失效安全機制，可供確保鏈路伙伴返回到已知狀態(tài)，并且重新初始化LTSSM。

若有需要則可選用先進(jìn)錯誤報告（AER）這項PCIe功能，從而擴大錯誤訊號和記錄范圍。錯誤寄存器顯示PCIe裝置功能上每個(gè)錯誤的狀態(tài)、指出錯誤的嚴重性和來(lái)源，且能評估可改善及不可改善的錯誤，從而確保系統順利偵測故障，并進(jìn)入安全狀態(tài)。

Diodes的PI7C9X3G606GP、PI7C9X3G808GP及PI7C9X3G816GP除了支持各種數據完整性功能，同時(shí)也支持PCIe規范中的規定，據以處理突然熱拔除相連裝置的情況。移除裝置之際，請求逾時(shí)的正常響應較慢，可能造成數據錯誤及任務(wù)中斷；偵測到移除裝置之際，只要能快速加以響應，即足以避免意外熱拔除造成的各種錯誤。

切換器同時(shí)支持選用PCIe的下游端口遏制（DPC）功能，專(zhuān)門(mén)處理無(wú)法改善的錯誤。具備 DPC功能的端口，一旦偵測到無(wú)法改善的錯誤時(shí)，會(huì )自動(dòng)禁用一個(gè)鏈路，藉由此舉避免損壞數據擴散，同時(shí)兼顧裝置的順利移除。移除裝置后，則會(huì )清除狀態(tài)標志，此時(shí)就可以對新連接的裝置重新訓練鏈路。這些切換器同時(shí)對于上游/下游埠和序列/平行熱插入類(lèi)型，支持熱插入。

其他功能則包括支持跨域端點(diǎn)（CDEP）模式，其中一個(gè)端口被配置為CDEP，據此連接至另一臺主機而非連接到端點(diǎn)。這樣的設計提供了故障轉移冗余，或是確保兩個(gè)處理器之間，乃至于一個(gè)處理器與另一個(gè)配置為處理器模式的智能轉接器之間，通訊的順利進(jìn)行。個(gè)別裝置均具備四個(gè)物理直接內存訪(fǎng)問(wèn)（DMA）信道，提高了主機與端點(diǎn)之間交換數據的效率；此等物理信道可以共享，容許八對位置同時(shí)傳輸數據。

結論
PCIe的普及正從已超越數據中心、服務(wù)器及個(gè)人計算機領(lǐng)域擴展到更廣泛的領(lǐng)域，包括工業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)和消費性裝置市場(chǎng)等。在最新規范里增添更強大的功能，就能將功耗降至最低，同時(shí)提高RAS。支持相關(guān)功能的PCIe切換器，可提供系統設計人員在注重功耗及重要產(chǎn)品應用項目，充分善用此種互連技術(shù)的速度優(yōu)勢與多功能特質(zhì)。

（本文作者Jen Lee為Diodes 公司營(yíng)銷(xiāo)協(xié)理）