PCI Express 在嵌入式系統中的應用

摘 要：本文從目前應用的需要出發，闡明了PCI Express連接技術出現的必要;分析了PCI Express連接技術的特性;并把它與PCI總線技術進行比較，給出其在嵌入式系統中的應用拓撲結構圖。最后描述了目前各芯片廠商針對PCI Express連接技術提供的不同芯片。

關鍵詞：PCI Express 內部互聯 高速串行總線 PCI總線 PCI-X

　　在過去幾十年里，PCI總線是一種非常成功的通用I/O總線標準，尤其在嵌入式系統應用中，經常會看到PCI總線的蹤影，但它將不能滿足未來計算機設備的帶寬需要。隨著制造工藝的發展，將會出現10GHz的CPU，高速的內存和顯卡，甚至1Gbps和10Gbps的網卡等其他需要“無限”內部帶寬的設備。由Intel公司推出的第三代I/O總線結構PCI Express（3GIO）就是順應這種需要產生的。它不但能與原來的PCI設備兼容工作，還可以增強原有設備的性能。其特點就是高性能，高擴展性，高可靠性，好的升級性及低的成本[1][2]。

　　2002年7月23日，PCI-SIG正式公布了PCI Express 1.0規范，并且根據其開發藍圖，將在2006年正式推出2.0規范。

　　PCI Express有兩個版本：基礎版和交換版。

　　基礎版的特點是：與PCI軟件兼容;很少的引腳數量（串行）;高速率（2.5Gbps/通道）;可擴展（到32通道）;CRC（鏈路，端到端）;熱插拔;QoS（Quality of Service）能力。

　　交換版的特點是：物理層和數據鏈路層與基本版兼容;基于源的路由;多協議封裝;堵塞管理;多播/廣播。

　　PCI Express的拓撲結構包括一個主橋和若干終點（End Point）（對應若干輸入輸出設備），見圖1。多點對點聯結技術將新的特性-開關技術-引入了輸入輸出總線拓撲結構。開關技術替代了原來的多點復用（multi-drop）總線技術，在不同的終點間它提供對等聯結的方式，將各個終點的數據分開傳輸，最后匯總到主橋內[3]。

　　PCI Express的基本特征：

　　● 串行LVDS鏈接，見圖2;

　　● 基于互換的拓撲結構;

　　● 每個通道的每個方向數據傳輸速率為2.5Gbps;

　　● 最高連接通道為32個;

　　● 帶寬可擴展（最大×32）。

　　● CRC（鏈路，端到端）;

　　● 熱插拔;

　　● NTB鏈接的多HOST結構;

　　● 與PCI/X兼容;

　　● 電源管理。

　　下表中列出了PCI Express特點所帶來的使用上的優點。

　　表一：

　　表二是將PCI Express與PCI/X進行的對比。

　　表二：

　　注1. 并行總線通常包含地址/數據信號和一些邊帶信號。邊帶信號用來表示總線上數據的方向和事務處理的類型，還能用于表示中斷或總線主控請求。

　　注2. 一個典型的PCI Express連接使用兩個LVDS（低電壓差分信號）對，一對用于發送，一對用于接收。在這個結構中沒有邊帶信號，見圖3。[3]

　　注3. PCI Express信道能聚集以增加總帶寬，可用的帶寬直接與通道的數目成比例。其有效組合為×1，×2，×4，×8，×12，×16，×32，通道數加倍帶寬也加倍。如一個10Gbps的以太網控制器可以使用4條PCI Express來與控制器的帶寬相匹配。

　　由于PCI Express的突出特性，決定了它可以用于很多領域，諸如服務器、成像系統、存儲系統、通信系統、工業控制等，影響比較大的可能還是嵌入式系統，圖4給出了其應用于嵌入式系統的應用拓撲結構?？梢钥闯?，在這種拓撲結構中本地端設備通過PCI Express橋連接在一起，不再是通過PCI橋連接。依賴開關技術，本地端設備就可以“無限”的扇出，且傳輸速率不會下降，而傳統的依靠PCI橋連接的設備由于多點復用總線技術的限制，每一路本地端設備的傳輸速率會下降。在嵌入式應用方面，另外一個比較讓人關注的應該是Express Card，這種具有USB2.0接口的小型卡，其硬件成本低，功能性好，將會取代笨重的PC卡和發揮Compact Flash的優點。但是這種卡進入嵌入式市場的速度不會很快，因為PCI Express將涉及硬件支持形式和特點的重大改變，對現有板卡的板形標準仍待制定[4]。

　　由于PCI Express技術卓越的特性，很多公司都投入了大量的精力來促進該技術的推廣。在2003年秋天的Intel開發論壇上，PLX第一個演示了基于PCI Express的ATCA（Advanced Telecom Computing Architecture）系統。各芯片組廠商也忙于開發支持PCI Express的芯片。

　　Mellanox技術公司已經公布了相關的芯片產品。

　　Intel的i915P Grantsdale和i925×Alderwood芯片組將包括用于圖形的×16連接，并支持333/400MHz的DDR和400/533MHz的DDR2。Intel的南橋芯片ICH6將有4條PCI Express×1連接和4個串行ATA150端口。ICH6的俗稱是Azalia，可以為PC提供192KHz，32位的多通道音頻支持。

　　威盛的北橋芯片保留了傳統的AGP支持，其新的VT8251南橋芯片還將包括兩個×1PCI Express連接，4個串行ATA端口，Gb級以太網和8通道192KHz，24位音頻支持。

　　SiS的第一代PCI Express南橋芯片SiS965L將包括兩個×1連接，8通道音頻，兩個串行ATA端口和Gb級以太網支持。該公司已經量產SiS965和9652南橋芯片。

　　VIA和Ali也計劃今年第3季度量產PCI Express南橋芯片VT8251和M1573。

　　PCI Express的卓越特性及Intel公司的大力推廣，使得PCI Express技術已經得到業界的廣泛認可，相信以后它必將取代現在的PCI總線并成為新的主流的內部互聯總線并在嵌入式系統及相關領域中大顯身手。

參考文獻：

　　1. http://www.163.com，淺談PCI Express 及其技術分析。

　　2. http://www.eerchina，com，走向點到點的互連-從PCI、PCI-X到PCI-Express。

　　3. PLX Technology, December，2003,High Performance I/O InterConnect PCI Express Technology Seminar。

　　4. 電子產品世界，2004.8，2004是PCI Express和總線移植年。