PCI Express 在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用

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(biāo)準(zhǔn)，尤其在嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中，經(jīng)常會看到PCI總線的蹤影，但它將不能滿足未來計(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)其開發(fā)藍(lán)圖，將在2006年正式推出2.0規(guī)范。

　　PCI Express有兩個版本：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)包括一個主橋和若干終點(diǎn)（End Point）（對應(yīng)若干輸入輸出設(shè)備），見圖1。多點(diǎn)對點(diǎn)聯(lián)結(jié)技術(shù)將新的特性-開關(guān)技術(shù)-引入了輸入輸出總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。開關(guān)技術(shù)替代了原來的多點(diǎn)復(fù)用（multi-drop）總線技術(shù)，在不同的終點(diǎn)間它提供對等聯(lián)結(jié)的方式，將各個終點(diǎn)的數(shù)據(jù)分開傳輸，最后匯總到主橋內(nèi)[3]。

PCI Express的基本特征：

　　● 串行LVDS鏈接，見圖2;

● 基于互換的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);

　　● 每個通道的每個方向數(shù)據(jù)傳輸速率為2.5Gbps;

　　● 最高連接通道為32個;

　　● 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)信號和一些邊帶信號。邊帶信號用來表示總線上數(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(fā)送，一對用于接收。在這個結(jié)構(gòu)中沒有邊帶信號，見圖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10Gbps的以太網(wǎng)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(lǐng)域，諸如服務(wù)器、成像系統(tǒng)、存儲系統(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PCI Express橋連接在一起，不再是通過PCI橋連接。依賴開關(guān)技術(shù)，本地端設(shè)備就可以“無限”的扇出，且傳輸速率不會下降，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)備的傳輸速率會下降。在嵌入式應(yīng)用方面，另外一個比較讓人關(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)入嵌入式市場的速度不會很快，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促進(jìn)該技術(shù)的推廣。在2003年秋天的Intel開發(fā)論壇上，PLX第一個演示了基于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×1PCI Express連接，4個串行ATA端口，Gb級以太網(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×1連接，8通道音頻，兩個串行ATA端口和Gb級以太網(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。