PCI Express交换及桥接芯片的设计

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交换芯片扩展到桥接，Gen 2提供简化的机会
       
        当I/O互连世界从PCI过渡到PCI Express (PCIe)时，桥接芯片扮演着一个关键角色：为了允许设计人员继续在基于PCIe的系统使用PCI及PCI-X。一旦大多数这些端点像预期那样一开始就使用PCIe，则由桥完成的互连将由交换芯片完成，而桥接器将使PCIe领域仍可采用老的PCI设计。
       
        此次转换带来另外一个变化，设计正在向PCIe Gen 2及5GT/s性能移植，以实现下一代互连。一些公司已经决定称这些PCIe交换芯片为“桥”。
       
        PCIe至 PCI桥接功能的展望
       
        传统的PCI总线提供一种低成本、稳健且清晰的互连标准。对于大多数应用，从PCI向PCIe过渡降低了成本及功耗，需要更少的引脚数量，从而具有更小的外形和更强的性能。
       
        于是，系统板及芯片组现在一般都有几个PCIe槽和有限的PCI连接。PCIe至PCI桥可以在系统板及升级卡上提供额外的PCI 或 PCI-X槽。这可以使用普通的“前向模式”桥配置完成。一些桥也提供“反向模式”配置选项，其允许从已有PCI槽生成PCIe槽。这对更新老主板很有用。
       
        从Gen 1到Gen 2
       
        PCIe Gen 2使用相同数量的线提供高达两倍的最大吞吐量，需要在两个标准之间进行桥接。此处，交换芯片可以用作桥，如图1所示。其显示了在根联合体处带两个PCIe端口的Gen 2服务器芯片组，一个端口（x8端口）连接到Gen 2交换芯片。
       
         
        图1 Gen 2交换芯片用作从Gen 1 I/O到Gen 2根联合体的桥
       
        32线交换芯片配置有6个端口——一个上行x8 Gen 2端口及5个下行端口，下行都是x4 Gen 1端口。因此，交换芯片用作从Gen 1 I/O到Gen 2根联合体的“桥”。
       
        相似的系统可以进行从Gen 2 I/O到Gen 1根联合体的反向类型桥接。因为交换芯片的上行端口仅仅运行在Gen 1模式，需要使用两倍的线路在根联合体中保持相同带宽。另一方面，因为下行端口仅仅运行在Gen 2模式，每个槽只需要两条线用于获得相同的I/O带宽，如图1所示，其使用x4 Gen 1端口。
       
        PCI至PCI桥经常用于建立或添加PCI槽，允许从主机输出到多个端点。图2中，左侧卡32位33MHz总线的最大吞吐量是125Mb/s，其中右侧的x16 Gen 2槽提供8Gb/s。
       
         
        图2 PCI交换芯片可以取代桥用于增加输出
       
        图形适配器正在发展，可以为不断增加的复杂游戏及视频提供更高的性能。一种方法是设计人员通过在单卡上部署多个GPU实现。这是输出使用该模型的另外一个示例，但连接到GPU的下行端口是x16，可以获得最大带宽。此示例中，需要注意：在这些双GPU卡中的相关文献中，输出交换芯片经常指一个“桥”，容易在I/O领域造成混淆。
       
        在其他应用中，如光纤信道主机总线适配器（HBA），不需要x16 Gen 2链路的全部带宽（到目前为止）。然而，使用Gen 2链路可以使用更少的线路获得给定带宽，降低引脚数量及板空间，简化布局及成本，并可以得到更小的外形。
       
        对于操作系统，PCIe交换芯片像一个桥
       
        当PCIe交换芯片用于系统中根联合体的输出时，对于操作系统来说，每个交换芯片端口将像一个桥头，如图3所示。这反映了PCIe保持与PCI软件向后兼容性的能力，因此，如果随着接口的改变功能没有增加，则从PCI到PCIe移植需要新的驱动程序。
       
        图3中拓扑可以在两种情况下观察。在老PCI系统中，系统通过主桥到三个桥下行输出，可以允许几个I/O设备聚集到系统主机总线上。如果需要域隔离，则部署非透明的(NT) PCI至PCI桥。
       
         
        图3 PCIe交换芯片形成一个桥架构
       
        如果标准PCI至PCI桥允许主机看到后面的端点，则NT桥看起来就像一个到主机的端点，并且可以防止主机列举NT桥后面的设备。NT桥允许打开窗口以交换数据，同时隔离其后的处理器及内存空间。
       
        透明桥允许系统以电气隔离单独的总线，这些桥在配置状态寄存器（CSR）中使用1型头以表示存在额外设备下行。
       
        而NT桥保持处理器域的电气及逻辑隔离。通过使用地址转换，NT桥将处理从一个桥一侧中转到另外一侧。他们使用CSR中的0型头以终止被主机发现。
        带交换芯片的非透明桥接
       
        至PCI桥，当今，许多PCIe交换芯片允许一个端口配置为一个NT“桥”，如图4所示。此操作与NT桥一样，只有这时该功能执行为一个交换芯片端口的配置选项。
       
        图4 PCIe故障恢复系统可以利用非透明配置
       
        如果应用中交换芯片已经取代传统桥，则此应用为双主机故障恢复系统。如图4所示，每个系统中配置两个CPU，一个配置为主机，另外一个作为备用机，当主机发生故障时才使用。NT桥可以提供备用机和主机CPU间的域隔离。
       
        除双主机故障恢复系统外，使用NT桥接的应用包括带嵌入CPU的插卡，如网络安全处理器、RAID控制器及线卡。
       
        交换芯片不止用于桥接
       
        除了取代桥外，最新的Gen 2交换芯片已经部署了几个新功能，可以增强系统性能并简化设计/调试，包括读取调步及重铸功能，两种方法都增强吞吐量并减少流量拥塞，使用桥接不可能实现此功能。另外，系统调试功能，如包生成器、SerDes眼图测量及性能监测功能都在Gen 2交换芯片中配置，从而无须外部仪器就可以优化性能。