PCIe效能滿足功耗敏感性裝置與關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用

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

應(yīng)用廣泛的連接功能
服務(wù)器、儲(chǔ)存裝置及網(wǎng)絡(luò)市場目前經(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(fèi)性裝置及車用電子產(chǎn)品的骨干和I/O產(chǎn)品應(yīng)用項(xiàng)目也紛紛正視其優(yōu)點(diǎn)，擴(kuò)大采用PCIe。

為了滿足相關(guān)領(lǐng)域的用戶期望與生態(tài)設(shè)計(jì)要求，PCI特殊課題小組（PCI-SIG）在延續(xù)多重世代的規(guī)范里先后引進(jìn)了各種省電創(chuàng)新項(xiàng)目，以及提高可靠性、可用性、可維護(hù)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(shù)據(jù)傳輸速度，結(jié)合大帶寬及最新的電源管理和RAS功能，滿足行動(dòng)與嵌入式產(chǎn)品應(yīng)用項(xiàng)目的需求。

耗電量再降低

 
圖1 : PCIe的可擴(kuò)充能力，容許設(shè)計(jì)人員配合產(chǎn)品應(yīng)用項(xiàng)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(yīng)用項(xiàng)目尋求善用PCIe屬性，裝置使用期間與待機(jī)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(kuò)充能力，容許設(shè)計(jì)人員配合產(chǎn)品應(yīng)用項(xiàng)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(nèi)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這一代開始，即是由鏈路訓(xùn)練狀態(tài)機(jī)（LTSSM）訂定各種鏈路狀態(tài)，如此一來，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(jié)約，系統(tǒng)效能也不受影響。

L0是鏈路正常運(yùn)作時(shí)的電源狀態(tài)。假如沒有傳輸數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)的情況下，還有L0s這個(gè)狀態(tài)，專供鏈路上的兩個(gè)裝置獨(dú)立關(guān)閉發(fā)射器，從而滿足更細(xì)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(jié)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(xiàn)L1.1與L1.2的低功耗狀態(tài)，恢復(fù)延遲將會(huì)略為延長。表 1 說明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(jié)電表現(xiàn)與效能。（source：synopsys）

為了達(dá)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(fù)運(yùn)行，延遲容限報(bào)告（LTR）可供主機(jī)判斷在從任何特定裝置中斷服務(wù)前的最長等待時(shí)間。至于緩沖區(qū)清空/填滿優(yōu)化（OBFF）功能，則允許主機(jī)將系統(tǒng)狀態(tài)信息發(fā)送予裝置，這樣就能關(guān)閉主機(jī)處理器和內(nèi)存子系統(tǒng)，維持更長的低功耗狀態(tài)，成就最大化的省電表現(xiàn)。

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(shè)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(duì)于物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品應(yīng)用及筆記本電腦、平板計(jì)算機(jī)等設(shè)備來說尤為重要，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啟。憑借啟動(dòng)和連續(xù)運(yùn)行的電源管理方案，它們在所有模式下的功耗都極低。在滿載和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(nèi)建了PCIe 3.0時(shí)鐘緩沖器，協(xié)助設(shè)計(jì)人員最佳調(diào)整產(chǎn)品應(yīng)用項(xiàng)目的功能和效能。緩沖器支持各種PCIe 3.0參考頻率架構(gòu)，包括通用、獨(dú)立參考無擴(kuò)頻 （SRNS）和獨(dú)立參考擴(kuò)頻（SRIS）。

在 PCIe 中針對(duì) RAS 進(jìn)行尋址
在特定物聯(lián)網(wǎng)裝置與機(jī)器人當(dāng)中，具備關(guān)鍵任務(wù)性質(zhì)或高度重視安全的產(chǎn)品應(yīng)用項(xiàng)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(jī)制，確保接口能在不斷變動(dòng)的內(nèi)部或外部條件下正常運(yùn)作，且在數(shù)據(jù)出錯(cuò)過后也能恢復(fù)，重新正常運(yùn)行。

在由PCIe規(guī)范的各種基本及選用功能里，涵蓋了確保端到端數(shù)據(jù)完整性的基本要求。其中包括用于偵測錯(cuò)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(rèn)機(jī)制 （ACK/NACK）。確認(rèn)逾時(shí)證實(shí)鏈路伙伴正常運(yùn)作，就可以在未接收情況下重新訓(xùn)練鏈路。另有用于偵測端到端數(shù)據(jù)完整性的交易層32位CRC（ECRC）。此外，針對(duì)潛在逾時(shí)的失效安全機(jī)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?jiǎng)t可選用先進(jìn)錯(cuò)誤報(bào)告（AER）這項(xiàng)PCIe功能，從而擴(kuò)大錯(cuò)誤訊號(hào)和記錄范圍。錯(cuò)誤寄存器顯示PCIe裝置功能上每個(gè)錯(cuò)誤的狀態(tài)、指出錯(cuò)誤的嚴(yán)重性和來源，且能評(píng)估可改善及不可改善的錯(cuò)誤，從而確保系統(tǒng)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(shù)據(jù)完整性功能，同時(shí)也支持PCIe規(guī)范中的規(guī)定，據(jù)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(yīng)較慢，可能造成數(shù)據(jù)錯(cuò)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(yīng)，即足以避免意外熱拔除造成的各種錯(cuò)誤。

切換器同時(shí)支持選用PCIe的下游端口遏制（DPC）功能，專門處理無法改善的錯(cuò)誤。具備 DPC功能的端口，一旦偵測到無法改善的錯(cuò)誤時(shí)，會(huì)自動(dòng)禁用一個(gè)鏈路，藉由此舉避免損壞數(shù)據(jù)擴(kuò)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(biāo)志，此時(shí)就可以對(duì)新連接的裝置重新訓(xùn)練鏈路。這些切換器同時(shí)對(duì)于上游/下游埠和序列/平行熱插入類型，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(jù)此連接至另一臺(tái)主機(jī)而非連接到端點(diǎn)。這樣的設(shè)計(jì)提供了故障轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(nèi)存訪問（DMA）信道，提高了主機(jī)與端點(diǎn)之間交換數(shù)據(jù)的效率；此等物理信道可以共享，容許八對(duì)位置同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。

結(jié)論
PCIe的普及正從已超越數(shù)據(jù)中心、服務(wù)器及個(gè)人計(jì)算機(jī)領(lǐng)域擴(kuò)展到更廣泛的領(lǐng)域，包括工業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)和消費(fèi)性裝置市場等。在最新規(guī)范里增添更強(qiáng)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(tǒng)設(shè)計(jì)人員在注重功耗及重要產(chǎn)品應(yīng)用項(xiàng)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 公司營銷協(xié)理）