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[導(dǎo)讀]PCI Express 在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用

在過(guò)去幾十年里,PCI總線是一種非常成功的通用I/O總線標(biāo)準(zhǔn),尤其在嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中,經(jīng)常會(huì)看到PCI總線的蹤影,但它將不能滿足未來(lái)計(jì)算機(jī)設(shè)備的帶寬需要。隨著制造工藝的發(fā)展,將會(huì)出現(xiàn)10GHz的CPU,高速的內(nèi)存和顯卡,甚至1Gbps和10Gbps的網(wǎng)卡等其他需要“無(wú)限”內(nèi)部帶寬的設(shè)備。由Intel公司推出的第三代I/O總線結(jié)構(gòu)PCI Express(3GIO)就是順應(yīng)這種需要產(chǎn)生的。它不但能與原來(lái)的PCI設(shè)備兼容工作,還可以增強(qiáng)原有設(shè)備的性能。其特點(diǎn)就是高性能,高擴(kuò)展性,高可靠性,好的升級(jí)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(guī)范,并且根據(jù)其開(kāi)發(fā)藍(lán)圖,將在2006年正式推出2.0規(guī)范。

  PCI Express有兩個(gè)版本:基礎(chǔ)版和交換版。

  基礎(chǔ)版的特點(diǎn)是:與PCI軟件兼容;很少的引腳數(shù)量(串行);高速率(2.5Gbps/通道);可擴(kuò)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(diǎn)是:物理層和數(shù)據(jù)鏈路層與基本版兼容;基于源的路由;多協(xié)議封裝;堵塞管理;多播/廣播。

  PCI Express的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括一個(gè)主橋和若干終點(diǎn)(End Point)(對(duì)應(yīng)若干輸入輸出設(shè)備),見(jiàn)圖1。多點(diǎn)對(duì)點(diǎn)聯(lián)結(jié)技術(shù)將新的特性-開(kāi)關(guān)技術(shù)-引入了輸入輸出總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。開(kāi)關(guān)技術(shù)替代了原來(lái)的多點(diǎn)復(fù)用(multi-drop)總線技術(shù),在不同的終點(diǎn)間它提供對(duì)等聯(lián)結(jié)的方式,將各個(gè)終點(diǎn)的數(shù)據(jù)分開(kāi)傳輸,最后匯總到主橋內(nèi)[3]。

PCI Express的基本特征:

  ● 串行LVDS鏈接,見(jiàn)圖2;

● 基于互換的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);

  ● 每個(gè)通道的每個(gè)方向數(shù)據(jù)傳輸速率為2.5Gbps;

  ● 最高連接通道為32個(gè);

  ● 帶寬可擴(kuò)展(最大×32)。

  ● CRC(鏈路,端到端);

  ● 熱插拔;

  ● NTB鏈接的多HOST結(jié)構(gòu);

  ● 與PCI/X兼容;

  ● 電源管理。

  下表中列出了PCI Express特點(diǎn)所帶來(lái)的使用上的優(yōu)點(diǎn)。

  表一:


表二是將PCI Express與PCI/X進(jìn)行的對(duì)比。

  表二:

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注1. 并行總線通常包含地址/數(shù)據(jù)信號(hào)和一些邊帶信號(hào)。邊帶信號(hào)用來(lái)表示總線上數(shù)據(jù)的方向和事務(wù)處理的類型,還能用于表示中斷或總線主控請(qǐng)求。

  注2. 一個(gè)典型的PCI Express連接使用兩個(gè)LVDS(低電壓差分信號(hào))對(duì),一對(duì)用于發(fā)送,一對(duì)用于接收。在這個(gè)結(jié)構(gòu)中沒(méi)有邊帶信號(hào),見(jiàn)圖3。[3]

圖3 典型的PCI Express連接

圖4 PCI Express在嵌入式控制系統(tǒng)的應(yīng)用

  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(shù)目成比例。其有效組合為×1,×2,×4,×8,×12,×16,×32,通道數(shù)加倍帶寬也加倍。如一個(gè)10Gbps的以太網(wǎng)控制器可以使用4條PCI Express來(lái)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(lǐng)域,諸如服務(wù)器、成像系統(tǒng)、存儲(chǔ)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、工業(yè)控制等,影響比較大的可能還是嵌入式系統(tǒng),圖4給出了其應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)??梢钥闯觯谶@種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中本地端設(shè)備通過(guò)PCI Express橋連接在一起,不再是通過(guò)PCI橋連接。依賴開(kāi)關(guān)技術(shù),本地端設(shè)備就可以“無(wú)限”的扇出,且傳輸速率不會(huì)下降,而傳統(tǒng)的依靠PCI橋連接的設(shè)備由于多點(diǎn)復(fù)用總線技術(shù)的限制,每一路本地端設(shè)備的傳輸速率會(huì)下降。在嵌入式應(yīng)用方面,另外一個(gè)比較讓人關(guān)注的應(yīng)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(huì)取代笨重的PC卡和發(fā)揮Compact Flash的優(yōu)點(diǎn)。但是這種卡進(jìn)入嵌入式市場(chǎng)的速度不會(huì)很快,因?yàn)镻CI Express將涉及硬件支持形式和特點(diǎn)的重大改變,對(duì)現(xiàn)有板卡的板形標(biāo)準(zhǔn)仍待制定[4]。

  由于PCI Express技術(shù)卓越的特性,很多公司都投入了大量的精力來(lái)促進(jìn)該技術(shù)的推廣。在2003年秋天的Intel開(kāi)發(fā)論壇上,PLX第一個(gè)演示了基于PCI Express的ATCA(Advanced Telecom Computing Architecture)系統(tǒng)。各芯片組廠商也忙于開(kāi)發(fā)支持PCI Express的芯片。

  Mellanox技術(shù)公司已經(jīng)公布了相關(guān)的芯片產(chǎn)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(gè)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(tǒng)的AGP支持,其新的VT8251南橋芯片還將包括兩個(gè)×1PCI Express連接,4個(gè)串行ATA端口,Gb級(jí)以太網(wǎng)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(gè)×1連接,8通道音頻,兩個(gè)串行ATA端口和Gb級(jí)以太網(wǎng)支持。該公司已經(jīng)量產(chǎn)SiS965和9652南橋芯片。

  VIA和Ali也計(jì)劃今年第3季度量產(chǎn)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(shù)已經(jīng)得到業(yè)界的廣泛認(rèn)可,相信以后它必將取代現(xiàn)在的PCI總線并成為新的主流的內(nèi)部互聯(lián)總線并在嵌入式系統(tǒng)及相關(guān)領(lǐng)域中大顯身手。

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