PCI Express推动平静演化

技术分类: 微处理器与DSP  消费电子设计  | 2007-08-17
Richard A Quinnell,EDN特约技术编辑

  PC下一代内部外设总线以其良好的性能和扩展能力,正在悄悄地颠覆PC与嵌入计算业。
  要 点
  PCIe(PCI Express)正在悄悄进入PC和嵌入计算市场,在提升PCI总线带宽限制的同时仍能使用传统软件。
  PCIe 规格的改进速度快于实现速度,从而给系统设计者提出了短暂的挑战。
  开发者必须仔细考虑主板和BIOS选择,以确保它们可以实现最佳性能。
  PCIe电缆连接提供了很多新的系统扩展机会。


  技术正在静悄悄地转换,而大多数用户、PC 业以及嵌入计算业对此并不知晓。用于附加卡的 PCI(外设部件互连)总线由于负担过重,正在缓慢让位于串行 PCIe(PCI Express)。这种改变为台式、膝上型和嵌入式计算系统带来了新的功能和性能水平,但也产生了一些短期的设计挑战,因为技术的进步快于其采纳速度。

图1可以用电缆将PCIe总线延伸到机箱以外PCISIG刚刚完成其标准化


  PCI总线现在已近15岁,接近自己的寿限。随着处理器时钟速度和 I/O 需求的日益增长,PCI总线开发出更高的速度和更宽的总线来提升系统性能。但是,正像所有其它的并行总线结构一样,随着 PCI 的每一步发展,信号时滞和扇出的问题也在增长。这一总线几年前就达到了它的
极限,促使 PCISIG(PCI 特殊兴趣小组)去开发下一代版本,它可以支持传统应用和软件。PCISIG 的答案就是 PCIe,这是一个交换式串行总线结构,其较底层硬件将基本架构的变化与上层软件掩蔽起来。

  PCIe 中的链路由通道构成,它承载系统之间的高速、双向和串行的点对点数据传输。这些链路有可比例缩放的带宽,可以用 1、2、4、8、12 或 16 个通道来满足一台外设的性能需求。PCIe 链路中的硬件负责处理并行与串行格式之间的转换,多个通道的时钟和同步,错误检测与纠正,以及一系列可能需要对驱动程序、应用软件和操作系统作修改的其它任务。结果,设计者可以在几乎不为用户所知的情况下实现 PCIe 总线。

  由于这种不可见性,PC 业悄悄地使自己的电路板和硅片设计转向了 PCIe,而消费者没有注意到这种转移。2007 年 2 月的 PCISIG 集成商列表指出了 PCIe 采纳的进展程度,列表中近三分之一的部件与硅 IP(知识产权)都是满足端点控制器的需求。另外三分之一是带有原生 PCIe 接口的图形设备,来自于 AMD、ATI Technologies 和 Nvidia。剩下的多数是主机根或 I/O 根复合交换机或连接来自 Intel、NEC、PLX Technology 和 Via Technologies较老式 PCI 和 PCI-X 总线的桥。只有少数是外设功能,如采用原生 PCIe 接口的串行 ATA 或以太网控制器。在电路板市场上,PCIe 集成商列表中有近 100 种图形板待售品,而其它功能的数量均不超过几种。

  图形主导

  这种产品分布形态表明,至少对 PC 来说,推动采纳 PCIe 的应用是高性能图形。其它大带宽 PC 应用(如以太网、Fiber Channel、InfiniBand 和串行 ATA)也接受 PCIe,但热情程度要低得多。这种态势说明 PCI 将与 PCIe 总线一起在 PC 中继续共存多年,处理那些对接纳 PCIe 来说太慢的外设功能。例如,快速地看一眼本地电子商店现有的主板,几乎所有 PC 主板都至少有一个 PCIe 卡槽,但仍保留了多个 PCI 槽。

  但这些有关 PC 产品的调查并不是事情的全部。例如,PCMCIA(个人计算机内存卡国际协会)也已采纳 PCIe 作为其 ExpressCard 标准的一个接口,该标准有望取代 CardBus 成为笔记本电脑内插卡。这种采纳扩展了 PCISIG 所定义的 PCIe 适用性,而且不仅只有这种扩展性。在 PCIe 硅芯片产品中,有 Cadence、Mentor 和 Synopsys 等公司用于定制芯片设计的硅 IP,以及 Altera、Lattice Semiconductor 和 Xilinx 等公司用于FPGA 的IP。这种 IP 的可用性(尤其是针对 FPGA 的内核)指明了一个巨大的定制器件市场,以及采用 PCIe 接口的电路板市场,如来自 Adlink 和 National Instruments 的数据采集板。通常情况下,这些定制设计都面向嵌入计算市场。

  长久以来,PC 的低成本、广泛适用性、高性能和庞大的支持架构一直吸引着开发者在嵌入计算应用中采用 PC 标准和技术。比如,当 PCI 总线出现时,嵌入系统界就在 PCI 技术基础上,建立了 CompactPCI、PXI(仪器 PCI 扩展)和 SHB(系统主控板)无源背板嵌入计算架构。甚至还产生了一个新的商业机构:PICMG(PCI 工业计算机制造商集团)。

  同样的事情也出现在 PCIe 上。果然不出所料,CompactPCI Express、PXI Express 和 SHBe 都已经采纳了 PCIe 总线标准。另外,可以使用 PCIe 的新架构也正在出现。例如,在高要求的电信市场上,PICMG 定义了 ATCA(先进电信计算架构)背板,以及 AMC(先进中间卡)模块,因此可以将 PCIe 作为一种接口。总之,现在有超过 60 种电路板外形尺寸和一系列带有 PCIe 总线接口的连接器配置可用于工业和嵌入计算(见图1)。

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