PCI Express交換及橋接芯片的設(shè)計(jì)

交換芯片擴(kuò)展到橋接，Gen 2提供簡化的機(jī)會

當(dāng)I/O互連世界從PCI過渡到PCI Express (PCIe)時，橋接芯片扮演著一個關(guān)鍵角色：為了允許設(shè)計(jì)人員繼續(xù)在基于PCIe的系統(tǒng)使用PCI及PCI-X。一旦大多數(shù)這些端點(diǎn)像預(yù)期那樣一開始就使用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(shè)計(jì)。

此次轉(zhuǎn)換帶來另外一個變化，設(shè)計(jì)正在向PCIe Gen 2及5GT/s性能移植，以實(shí)現(xiàn)下一代互連。一些公司已經(jīng)決定稱這些PCIe交換芯片為“橋”。

PCIe至 PCI橋接功能的展望

傳統(tǒng)的PCI總線提供一種低成本、穩(wěn)健且清晰的互連標(biāo)準(zhǔn)。對于大多數(shù)應(yīng)用，從PCI向PCIe過渡降低了成本及功耗，需要更少的引腳數(shù)量，從而具有更小的外形和更強(qiáng)的性能。

于是，系統(tǒng)板及芯片組現(xiàn)在一般都有幾個PCIe槽和有限的PCI連接。PCIe至PCI橋可以在系統(tǒng)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(xiàng)，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(shù)量的線提供高達(dá)兩倍的最大吞吐量，需要在兩個標(biāo)準(zhǔn)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PCIe端口的Gen 2服務(wù)器芯片組，一個端口（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線交換芯片配置有6個端口——一個上行x8 Gen 2端口及5個下行端口，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(tǒng)可以進(jìn)行從Gen 2 I/O到Gen 1根聯(lián)合體的反向類型橋接。因?yàn)榻粨Q芯片的上行端口僅僅運(yùn)行在Gen 1模式，需要使用兩倍的線路在根聯(lián)合體中保持相同帶寬。另一方面，因?yàn)橄滦卸丝趦H僅運(yùn)行在Gen 2模式，每個槽只需要兩條線用于獲得相同的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(jī)輸出到多個端點(diǎn)。圖2中，左側(cè)卡32位33MHz總線的最大吞吐量是125Mb/s，其中右側(cè)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(fù)雜游戲及視頻提供更高的性能。一種方法是設(shè)計(jì)人員通過在單卡上部署多個GPU實(shí)現(xiàn)。這是輸出使用該模型的另外一個示例，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(xiàn)中，輸出交換芯片經(jīng)常指一個“橋”，容易在I/O領(lǐng)域造成混淆。

在其他應(yīng)用中，如光纖信道主機(jī)總線適配器（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路獲得給定帶寬，降低引腳數(shù)量及板空間，簡化布局及成本，并可以得到更小的外形。

對于操作系統(tǒng)，PCIe交換芯片像一個橋

當(dāng)PCIe交換芯片用于系統(tǒng)中根聯(lián)合體的輸出時，對于操作系統(tǒng)來說，每個交換芯片端口將像一個橋頭，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，如果隨著接口的改變功能沒有增加，則從PCI到PCIe移植需要新的驅(qū)動程序。

圖3中拓?fù)淇梢栽趦煞N情況下觀察。在老PCI系統(tǒng)中，系統(tǒng)通過主橋到三個橋下行輸出，可以允許幾個I/O設(shè)備聚集到系統(tǒng)主機(jī)總線上。如果需要域隔離，則部署非透明的(NT) PCI至PCI橋。

圖3 PCIe交換芯片形成一個橋架構(gòu)

如果標(biāo)準(zhǔn)PCI至PCI橋允許主機(jī)看到后面的端點(diǎn)，則NT橋看起來就像一個到主機(jī)的端點(diǎn)，并且可以防止主機(jī)列舉NT橋后面的設(shè)備。NT橋允許打開窗口以交換數(shù)據(jù)，同時隔離其后的處理器及內(nèi)存空間。

透明橋允許系統(tǒng)以電氣隔離單獨(dú)的總線，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(shè)備下行。

而NT橋保持處理器域的電氣及邏輯隔離。通過使用地址轉(zhuǎn)換，NT橋?qū)⑻幚韽囊粋€橋一側(cè)中轉(zhuǎn)到另外一側(cè)。他們使用CSR中的0型頭以終止被主機(jī)發(fā)現(xiàn)。

帶交換芯片的非透明橋接

至PCI橋，當(dāng)今，許多PCIe交換芯片允許一個端口配置為一個NT“橋”，如圖4所示。此操作與NT橋一樣，只有這時該功能執(zhí)行為一個交換芯片端口的配置選項(xiàng)。

圖4 PCIe故障恢復(fù)系統(tǒng)可以利用非透明配置

如果應(yīng)用中交換芯片已經(jīng)取代傳統(tǒng)橋，則此應(yīng)用為雙主機(jī)故障恢復(fù)系統(tǒng)。如圖4所示，每個系統(tǒng)中配置兩個CPU，一個配置為主機(jī)，另外一個作為備用機(jī)，當(dāng)主機(jī)發(fā)生故障時才使用。NT橋可以提供備用機(jī)和主機(jī)CPU間的域隔離。

除雙主機(jī)故障恢復(fù)系統(tǒng)外，使用NT橋接的應(yīng)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)部署了幾個新功能，可以增強(qiáng)系統(tǒng)性能并簡化設(shè)計(jì)/調(diào)試，包括讀取調(diào)步及重鑄功能，兩種方法都增強(qiáng)吞吐量并減少流量擁塞，使用橋接不可能實(shí)現(xiàn)此功能。另外，系統(tǒng)調(diào)試功能，如包生成器、SerDes眼圖測量及性能監(jiān)測功能都在Gen 2交換芯片中配置，從而無須外部儀器就可以優(yōu)化性能。