采用橋接方案還是純PCIe方案

    隨著采用純PCI Express(PCIe)系統(tǒng)的逐漸普及，許多常用端點(diǎn)解決方案正在針對PCIe連接進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

    這些解決方案包括網(wǎng)絡(luò)接口卡(NIC)、存儲主機(jī)總線適配器(HBA)、圖形卡、并口卡以及以前采用PCI和/或PCI-X接口的大量其它I/O功能卡。然而，許多端點(diǎn)芯片一直沒有重新設(shè)計(jì)成純PCIe芯片，而且事實(shí)上許多芯片根本就沒有計(jì)劃要這樣做。本文將討論P(yáng)CIe端點(diǎn)解決方案是采用純 PCIe芯片，還是采用PCI(或PCI-X)芯片再加上PCIe-to-PCI/PCI-X橋所要考慮的因素。

    這些橋產(chǎn)品已經(jīng)上市，它們?yōu)槎它c(diǎn)設(shè)計(jì)師提供了快速升級到PCIe的捷徑，并能在純PCIe的系統(tǒng)板上構(gòu)建PCI/PCI-X插槽。業(yè)界最初的預(yù)想是只有當(dāng)所有端點(diǎn)解決方案都采用純PCIe芯片時(shí)這些橋才有市場。然而，在PCIe系統(tǒng)面市數(shù)年后，仍有不少端點(diǎn)解決方案沒有采用純PCIe接口進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。是否要將端點(diǎn)芯片升級到PCIe，需要考慮不少因素，其中包括純PCIe芯片實(shí)現(xiàn)成本與市場機(jī)會的比較、端點(diǎn)的性能要求，以及開發(fā)純PCIe方案所要求的PCIe IP的可用性和兼容性。

    我們可以通過下面三個(gè)接近真實(shí)世界的案例研究中所進(jìn)行的折衷處理，來看看其中蘊(yùn)含了哪些設(shè)計(jì)決策：1)開發(fā)新的純PCIe的CPU芯片解決方案，并利用該芯片創(chuàng)建SATA RAID控制器插卡；2)在現(xiàn)有純PCI-X芯片上增加橋以建立PCIe SCSI主機(jī)總線適配器(HBA)；3)在采用純PCIe芯片的最新GPU做的圖形卡上增加橋以建立PCI連接。

     要不要采用橋所需考慮的因素有哪些呢？為了簡化討論過程，我們假設(shè)具有足夠性能和帶寬的純PCI-X解決方案已經(jīng)投產(chǎn)，那么所需考慮的問題是使用純PCI-X解決方案再加上連接PCIe的橋，還是開發(fā)全新的ASIC，并用PCIe鏈路替代PCI-X總線。

使用橋來加快產(chǎn)品上市降低開發(fā)成本

    使用橋與現(xiàn)有PCI/PCI-X解決方案有兩大充足理由：一是上市時(shí)間(TTM)，二是開發(fā)成本。在TTM方面的優(yōu)勢非常明顯：使用兩種現(xiàn)成的成功解決方案可以使設(shè)計(jì)師直接進(jìn)入電路版圖設(shè)計(jì)階段，從而可以留出大量開發(fā)時(shí)間用于產(chǎn)品驗(yàn)證階段。之所以能夠?qū)崿F(xiàn)TTM優(yōu)勢，是因?yàn)閬碜孕滦酒O(shè)計(jì)、創(chuàng)建新掩模組以及驗(yàn)證和認(rèn)證新芯片所需時(shí)間顯著減少。這些工作通常要花一年多的時(shí)間，這么長的時(shí)間可以直接留給板卡開發(fā)。TTM延遲將導(dǎo)致嚴(yán)重的收入損失，因?yàn)楫?dāng)新芯片設(shè)計(jì)出來時(shí)，競爭性解決方案已被客戶選用，而本公司當(dāng)前設(shè)計(jì)會被淘汰。

     另外，純PCIe解決方案的開發(fā)成本相當(dāng)高昂。事實(shí)上對較低批量的項(xiàng)目來說這是不可逾越的障礙，因?yàn)樗鼰o法消化包括2.5Gbps PCIe鏈路在內(nèi)的芯片所要求的上百萬美元費(fèi)用。

純PCIe方案可降低制造成本，縮小板級占用空間

     當(dāng)開發(fā)出帶PCIe鏈路的新型ASIC芯片時(shí)，就不再需要增加橋這樣的產(chǎn)品了。另外，與橋相關(guān)的電路板面積以及支持PCI或PCI-X總線所需的引腳都可以消除。原總線接口要求100多個(gè)引腳，采用純PCIe方案則可以減少到4個(gè)(針對PCIe x1鏈路而言，若是x4鏈路引腳數(shù)量則為16)。這種引腳數(shù)量的減少同樣可以降低ASIC成本，減小外形尺寸。

是否用橋的考慮因素

    橋的加入可能增加也可能降低解決方案的性能。橋本身會引入延遲，因此會降低突發(fā)業(yè)務(wù)的吞吐量。不過，如果PCIe器件能夠指定可預(yù)取的地址空間，那么利用預(yù)取可以提高吞吐量。這種技術(shù)一般只可用于嵌入式系統(tǒng)。表1總結(jié)了是否使用橋的一些關(guān)鍵考慮因素。

案例1：利用純PCIe芯片構(gòu)建SATA RAID存儲控制器卡

SATA RAID控制器解決方案幾年前就有了，最早采用的是32位PCI接口。隨著SATA-2硬盤驅(qū)動(dòng)器性能要求的不斷提高，64位PCI-X接口現(xiàn)已非常普及。當(dāng)PCIe推出后，服務(wù)器很快就轉(zhuǎn)向PCIe，從而推動(dòng)了同一RAID控制器的PCIe版本的迅速開發(fā)。一些RAID卡設(shè)計(jì)師插入PCI-X到 PCIe的橋，以此提供PCIe連接；也有的設(shè)計(jì)師采用純PCIe的ASIC芯片設(shè)計(jì)新的RAID卡。還有些設(shè)計(jì)師兩種方案都做，在基于橋的設(shè)計(jì)贏得一些早期用戶的采納后再實(shí)施純PCIe方案。讓我們分析一下后者，以便了解他們作出這種選擇的根本原因。

案例1：利用純PCIe芯片構(gòu)建SATA RAID存儲控制器卡

     SATA RAID控制器解決方案幾年前就有了，最早采用的是32位PCI接口。隨著SATA-2硬盤驅(qū)動(dòng)器性能要求的不斷提高，64位PCI-X接口現(xiàn)已非常普及。當(dāng)PCIe推出后，服務(wù)器很快就轉(zhuǎn)向PCIe，從而推動(dòng)了同一RAID控制器的PCIe版本的迅速開發(fā)。一些RAID卡設(shè)計(jì)師插入PCI-X到 PCIe的橋，以此提供PCIe連接；也有的設(shè)計(jì)師采用純PCIe的ASIC芯片設(shè)計(jì)新的RAID卡。還有些設(shè)計(jì)師兩種方案都做，在基于橋的設(shè)計(jì)贏得一些早期用戶的采納后再實(shí)施純PCIe方案。讓我們分析一下后者，以便了解他們作出這種選擇的根本原因。

圖1：SATA RAID控制器

      在本案例中，基于PCI-X RAID芯片的板卡在市場上才面市不久，PCIe版的卡就有需求了。既然這是長期發(fā)展的必然趨勢，而且SATA RAID功能又有足夠大的需求量，因此就選擇了開發(fā)ASIC，也就是開發(fā)需要花14個(gè)月時(shí)間進(jìn)行設(shè)計(jì)和工藝變更才能實(shí)現(xiàn)的純PCIe解決方案(見圖1)。工藝技術(shù)之所以要改變是因?yàn)榧働CI-X的RAID控制器使用的0.18微米CMOS技術(shù)無法提供PCIe物理層(PHY)單元。由于新的PHY單元要求以及向更新工藝(0.13微米CMOS)的轉(zhuǎn)變，ASIC實(shí)現(xiàn)似乎存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。為了縮短TTM、降低芯片開發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，因此就有了“兩條腿走路”的方案。這樣可以快速部署基于橋的解決方案，從而滿足早期用戶的需求，一旦ASIC芯片通過認(rèn)證，便可以推更低成本的純PCIe方案了。

案例2：使用PCIe到PCI-X橋創(chuàng)建SCSI HBA

   目前并行SCSI存儲還沒有足夠多的市場機(jī)會，因此開發(fā)純PCIe SCSI HBA芯片的時(shí)機(jī)還不成熟。這意味著在現(xiàn)有SCSI HBA之前放置PCIe到PCI-X橋，就可以滿足PCIe SCSI卡的要求(見圖2)。這樣做有兩大好處：縮短TTM和降低開發(fā)成本。

圖2：PCIe SCSI主機(jī)總線適配器(HBA)

案例3：在使用純PCIe芯片的圖形卡上利用反向模式的PCIe到PCI橋建立PCI連接

   采用純PCIe芯片的圖形卡面市已經(jīng)有好幾年了，自從PCIe推出后純PCI的圖形芯片即使有也很少推出了。然而，PCI圖形卡市場仍然很大，這是因?yàn)樾枰壱曨l功能的PCI游戲系統(tǒng)有很大的用戶群，而且目前系統(tǒng)中有限的PCIe插槽數(shù)量迫使系統(tǒng)集成商將PCI插槽提供給圖形卡使用。

  因此，最新的圖形卡設(shè)計(jì)在純PCIe圖形芯片前使用了PCI到PCIe橋(見圖3)。這樣基于PCI的系統(tǒng)就能利用上最新的GPU性能，如DDR2 存儲器支持、400+MHz引擎時(shí)鐘和雙鏈路DVI。由于純PCI芯片不具備最新的GPU性能，因此要求GPU制造商采用反向模式的PCIe到PCI橋來為傳統(tǒng)系統(tǒng)提供PCI連接性。(反向模式橋接是指上游端口是PCI側(cè)，下游端口是PCIe側(cè)。不是所有的PCIe到PCI橋都支持反向模式。PLX公司的 PEX8111和PEX8114均支持前向和反向操作)。

圖3：圖形卡中的反向橋接

總結(jié)

  設(shè)計(jì)師通常很難決定是使用PCIe橋還是開發(fā)純PCIe解決方案。他們需要權(quán)衡多種因素，如TTM、開發(fā)和制造成本、性能、連接性以及性能增強(qiáng)要求。一旦這些因素確定后，他們就能更好地回答這個(gè)問題：用橋還是不用橋？