基于光纖傳輸?shù)腜CI Express總線延長(zhǎng)方法與實(shí)現(xiàn)*

楊 光，付文彬，郭元興，孟珞珈

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引言

PCI Express（Peripheral Component Interconnect Express）是一種高速串行計(jì)算機(jī)擴(kuò)展總線標(biāo)準(zhǔn)，采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信模式，雙向數(shù)據(jù)傳輸，可以為每一個(gè)終端設(shè)備分配獨(dú)享的通道[1]。它具有帶寬高、速率快、串?dāng)_低和擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、服務(wù)器和其他通信設(shè)備[2]。正是由于PCI Express 總線具有很高的傳輸速率，因此對(duì)傳輸介質(zhì)要求很高，導(dǎo)致其傳輸距離很短。

目前，PCI Express 總線的大部分應(yīng)用環(huán)境為設(shè)備內(nèi)部的互聯(lián)總線，距離需求較短。但是，在一些特殊環(huán)境需要兩個(gè)設(shè)備之間通過(guò)PCI Express 總線進(jìn)行高速互聯(lián)通信時(shí)，需要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。針對(duì)這種使用環(huán)境，PCI-SIG 組織專(zhuān)門(mén)制定了PCI Express 總線外部線纜連接使用規(guī)范，制定了延長(zhǎng)PCI Express 總線的接口定義、接口形態(tài)、信號(hào)特征和上電時(shí)序等。為了實(shí)現(xiàn)PCI Express 總線的遠(yuǎn)距離傳輸，目前主要的手段是采用銅纜作為PCI Express總線的傳輸介質(zhì)，同時(shí)在信號(hào)發(fā)送端采用中繼芯片增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力，從而實(shí)現(xiàn)PCI Express 總線的遠(yuǎn)距離傳輸。該傳輸方式信號(hào)衰減嚴(yán)重，傳輸距離有限，目前最長(zhǎng)達(dá)到15 m。此外，它采用銅纜，自身較重，不利于使用環(huán)境的搭建。

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于光纖傳輸?shù)腜CI Express總線延長(zhǎng)方法，利用光纖介質(zhì)信號(hào)傳輸質(zhì)量高、傳輸距離遠(yuǎn)以及重量輕等優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了PCI Express總線的遠(yuǎn)距離傳輸，同時(shí)搭建測(cè)試環(huán)境對(duì)該方法實(shí)現(xiàn)的功能和性能進(jìn)行了測(cè)試，滿足規(guī)范要求。

1 原理分析

通過(guò)PCI Express 總線外部線纜連接使用規(guī)范可知[3]，PCI Express 總線信號(hào)包含高速差分信號(hào)和輔助信號(hào)。高速差分信號(hào)的傳輸速率為2.5 Gb/s（GEN 1）、5 Gb/s（GEN 2）和8 Gb/s（GEN 3），因此高速差分信號(hào)可采用10 Gb/s 的光電轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行傳輸。輔助信號(hào)主要包括CREFCLK、CPERST#、CPRSNT#、CPWRON 和CWAKE# 信號(hào)。其中，CREFCLK 為100 MHz 的差分參考時(shí)鐘，可在下游端采用晶振產(chǎn)生；其余信號(hào)均為低速的單端信號(hào)，可在PCI Express 總線下游鏈路端根據(jù)時(shí)序要求進(jìn)行相關(guān)設(shè)置。

圖1 為PCI Express 高速總線光纖延長(zhǎng)方法示意圖。在PCI Express 總線鏈路上游端，采用光電轉(zhuǎn)換模塊將PCI Express 總線發(fā)送端的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，經(jīng)光纖傳輸至鏈路下游端，再由下游端的光電轉(zhuǎn)換模塊將光信號(hào)還原成電信號(hào)。反之，PCIExpress 鏈路下游發(fā)送端的電信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為光信號(hào)后，再經(jīng)光纖傳輸至上游端光電轉(zhuǎn)換模塊還原成電信號(hào)。

圖1 PCI Express 總線光纖延長(zhǎng)示意

根據(jù)PCI Express 總線協(xié)議[4]，系統(tǒng)復(fù)位時(shí)，PCI Express 總線上的設(shè)備需要完成鏈路訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)物理層、數(shù)據(jù)收發(fā)模塊和鏈路相關(guān)狀態(tài)的初始化。只有正確完成鏈路訓(xùn)練，PCI Express 總線兩端的設(shè)備才能進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。PCI Express 總線的鏈路訓(xùn)練由LTSSM（Link Training and Status State Machine）狀態(tài)機(jī)控制。LTSSM 狀態(tài)機(jī)分為“Detect”“Polling”“Configuration”“Recovery”“L0”“L0s”、“L1”“L2”“Disabled”“Loopback”和“Hot Reset”共11個(gè)狀態(tài)。正常的鏈路訓(xùn)練路徑如圖2所示。

PCI Express 總線的物理層在進(jìn)行復(fù)位后，LTSSM 首先進(jìn)入“Detect”狀態(tài)，通過(guò)Receiver Detect 識(shí)別邏輯檢測(cè)鏈路的接收端，判斷接收端是否可以正常工作。只有檢測(cè)到接收端是合法的設(shè)備后，才能跳入“Polling”狀態(tài)。在Polling 狀態(tài)和Configuration 完成通道資源檢測(cè)和寄存器配置后，跳入L0 正常工作狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。其中，Receiver Detect 識(shí)別邏輯是通過(guò)檢測(cè)接收端的DC 共模輸入阻抗來(lái)判斷接收端是否合法[5]。如果接收端的DC 共模輸入阻抗在40～60 Ω 內(nèi)，則認(rèn)為接收端工作正常。對(duì)于光電轉(zhuǎn)換模塊，它的輸入阻抗并不在40～60 Ω 內(nèi)，因此需要對(duì)PCI Express 鏈路中發(fā)送端的阻抗進(jìn)行匹配，才能通過(guò)鏈路訓(xùn)練時(shí)的“Detect”狀態(tài)檢測(cè)。阻抗匹配電路如圖3 所示，其中R1～R6為阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，Rs1和Rs2為光電轉(zhuǎn)換模塊的輸入阻抗。不同光模塊輸入阻抗不同，可通過(guò)調(diào)節(jié)R1～R6阻值將輸入阻抗調(diào)至40～60 Ω內(nèi)。

圖3 發(fā)送端阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)

在PCI Express 總線鏈路訓(xùn)練過(guò)程中，還有一種“Electrical Idle”低功耗休眠狀態(tài)。通常情況下，PCI Express 總線接收端需要收到EIOS 序列后才進(jìn)行低功耗狀態(tài)。但是，有時(shí)接收端在沒(méi)有收到EIOS序列的情況下，若發(fā)現(xiàn)空閑狀態(tài)檢測(cè)電壓閾值小于75 mV[5]，也可以進(jìn)入低功耗狀態(tài)。因此，在鏈路訓(xùn)練時(shí)，因線路的抖動(dòng)和不當(dāng)?shù)钠?，可能?dǎo)致PCI Express 總線進(jìn)行錯(cuò)誤的低功耗狀態(tài)判斷。因此，硬件設(shè)計(jì)時(shí)需要防止電路產(chǎn)生抖動(dòng)和偏差。

2 硬件設(shè)計(jì)

PCI Express 總線延長(zhǎng)方法硬件總體設(shè)計(jì)如圖4所示，分為上游端主機(jī)卡、光電轉(zhuǎn)換及傳輸單元和下游端接口卡3 部分。其中，上游端主機(jī)卡用于將PCI Express 總線轉(zhuǎn)換為外部線纜，連接使用規(guī)范中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)接口；光電轉(zhuǎn)換及傳輸單元主要用于PCI Express 總線的光電轉(zhuǎn)換和光信號(hào)的傳輸；下游端接口卡主要實(shí)現(xiàn)將延長(zhǎng)后的PCI Express 總線信號(hào)還原為標(biāo)準(zhǔn)接口。

2.1 上游端主機(jī)卡硬件設(shè)計(jì)

上游端主機(jī)卡主要由PCI Express 總線輸入接口、電源模塊、PCI Express 總線控制芯片、MCU和PCI-SIG 標(biāo)準(zhǔn)線纜擴(kuò)展接口組成。PCI Express總線輸入接口設(shè)計(jì)為通用的金手指接口，可插入通用的PCI Express 總線插槽。電源模塊主要為上游端主機(jī)卡供電，由金手指接口輸入12 V 和3.3 V電壓，經(jīng)電源模塊PTH0808WAD、PME5218 和TPS74401 轉(zhuǎn)換為5 V、2.5 V 和1.0 V 電壓，以供電路板工作。PCI Express 總線控制芯片主要用于提高PCI Express 總線信號(hào)質(zhì)量，防止出現(xiàn)抖動(dòng)和偏差，導(dǎo)致鏈路訓(xùn)練時(shí)進(jìn)行錯(cuò)誤的“Electrical Idle”狀態(tài)判斷。本設(shè)計(jì)中PCI Express 總線控制芯片采用89H24NT6AG2ZCHLGI。該芯片為24-Lane 的交換芯片，嚴(yán)格遵循PCI Express 總線協(xié)議，在接口信號(hào)上具有去預(yù)重、接收均衡和驅(qū)動(dòng)強(qiáng)等特點(diǎn)，可有效提升PCI Express 總線電信號(hào)信號(hào)傳輸質(zhì)量。MCU 采用C8051F320，通過(guò)IIC 總線對(duì)89H24NT6AG2ZCHLGI 進(jìn)行相關(guān)功能的配置。PCISIG 標(biāo)準(zhǔn)線纜擴(kuò)展接口采用Molex 公司的75586-0104 和74540-0401，且接口定義與規(guī)范保持一致。

2.2 光電轉(zhuǎn)換及傳輸單元

光電轉(zhuǎn)換及傳輸單元主要由PCI-SIG 標(biāo)準(zhǔn)線纜擴(kuò)展接口、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、光電轉(zhuǎn)換模塊和光纖組成。PCI-SIG 標(biāo)準(zhǔn)線纜擴(kuò)展接口與上游端主機(jī)卡設(shè)計(jì)相同。阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)可根據(jù)第1 章節(jié)的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。光電轉(zhuǎn)換模塊采用10 Gb/s 光電轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行傳輸，滿足光纖與光模塊配套即可。設(shè)計(jì)中采用Samtec 公司的PCIEO-4G3-030.0 高速光纖線纜組件，將PCI-SIG 標(biāo)準(zhǔn)線纜擴(kuò)展接口、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、光電轉(zhuǎn)換模塊和光纖進(jìn)行高度集成，方便用戶設(shè)計(jì)。該組件集成的光纖長(zhǎng)度為30 m，傳輸速率滿足GEN 1 和GEN 2。PCIEO-4G3-030.0 高速光纖線纜組件兩端分別為host 端口和target 端，其中host端口接上游端口，target 端接下游端口。

2.3 下游端接口卡硬件設(shè)計(jì)

下游端接口卡主要由PCI-SIG 標(biāo)準(zhǔn)線纜擴(kuò)展接口、電源模塊、PCI Express 總線控制芯片、MCU、時(shí)鐘Buffer 和標(biāo)準(zhǔn)PCI-Express 總線接口組成。其中，PCI-SIG 標(biāo)準(zhǔn)線纜擴(kuò)展接口、PCI Express 總線控制芯片和MCU 與上游端主機(jī)卡設(shè)計(jì)相同。電源模塊由外部輸入12 V 電壓，通過(guò)MQ7250R2T、PME5218 和TPS74401 轉(zhuǎn)換為電路所需的3.3 V、5 V 和1.0 V。時(shí)鐘Buffer 采用6 輸出差分緩沖器ICS9DB106BGILF進(jìn)行時(shí)鐘擴(kuò)展，用于標(biāo)準(zhǔn)PCI Express 總線接口擴(kuò)展。設(shè)計(jì)中采用89H24NT6AG2ZCHLGI 進(jìn)行信號(hào)質(zhì)量提升，同時(shí)利用其交換功能，將延長(zhǎng)后的PCI Express總線擴(kuò)展為4 路標(biāo)準(zhǔn)X4 接口。

硬件連接示意圖如圖5 所示，光電轉(zhuǎn)換及傳輸單元的host 端口與上游端主機(jī)卡相連，光電轉(zhuǎn)換及傳輸單元的target 端口與下游端接口卡相連。

3 測(cè)試驗(yàn)證

測(cè)試環(huán)境的搭建主要用于該方法功能和性能的驗(yàn)證，如圖6 所示。測(cè)試環(huán)境由COM-E 計(jì)算機(jī)模塊、上游端主機(jī)卡、光電轉(zhuǎn)換及傳輸單元、下游端接口卡、PCI Express 接口測(cè)試夾具、顯卡、電源和示波器組成。COM-E 計(jì)算機(jī)模塊的PCI Express 總線經(jīng)上游端主機(jī)卡、光電轉(zhuǎn)換及傳輸單元和下游端接口卡延長(zhǎng)后，通過(guò)接入的顯卡可以測(cè)試PCI Express總線延長(zhǎng)后的數(shù)據(jù)傳輸功能。通過(guò)接入PCI Express總線測(cè)試夾具，將信號(hào)傳輸至示波器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)PCI Express 總線延長(zhǎng)后的接口性能測(cè)試。

圖6 測(cè)試環(huán)境示意

從測(cè)試環(huán)境示意圖分析可知，COM-E 計(jì)算機(jī)模塊的VGA 顯示接口并沒(méi)有從COM-E 計(jì)算機(jī)模塊主板引出，而是通過(guò)延長(zhǎng)后的PCI Express 總線接入顯卡擴(kuò)展VGA 接口引出。COM-E 計(jì)算機(jī)模塊上電后，如果顯示器正常顯示操作系統(tǒng)界面，則驗(yàn)證了PCI Express 總線經(jīng)延長(zhǎng)后擴(kuò)展VGA 接口功能正常和數(shù)據(jù)傳輸能力正常。

接口性能的測(cè)試是通過(guò)PCI Express 接口測(cè)試夾具將延長(zhǎng)后的PCI Express 總線信號(hào)引入示波器進(jìn)行信號(hào)質(zhì)量的測(cè)試。示波器采用力科816Zi-B，自帶PCI Express 總線測(cè)試模塊，并根據(jù)PCI Express總線規(guī)范參數(shù)提供眼圖模板。其中，一對(duì)差分對(duì)的測(cè)試結(jié)果如圖7 和圖8 所示。圖7 為光纖30 m 延長(zhǎng)后，速率為2.5 Gb/s 的眼圖。從眼圖中可以看出，占空比上下區(qū)域?qū)ΨQ(chēng)，眼睛張開(kāi)，噪聲和抖動(dòng)都在正常范圍內(nèi)，眼圖沒(méi)有觸碰深色的模板區(qū)域，信號(hào)質(zhì)量良好。圖8 為光纖30 m 延長(zhǎng)后，速率為5 Gb/s的眼圖?？梢钥闯?，眼圖的噪聲和抖動(dòng)增大，但占空比區(qū)域任然對(duì)稱(chēng)，眼睛仍然處于張開(kāi)狀態(tài)，沒(méi)有觸碰深色的模板區(qū)域。信號(hào)質(zhì)量仍在可接受范圍，并不影響使用。

圖7 光纖30 m 延長(zhǎng)2.5 Gb/s 眼圖

圖8 光纖30 m 延長(zhǎng)5 Gb/s 眼圖

通過(guò)測(cè)試環(huán)境的驗(yàn)證可知，基于光纖傳輸?shù)腜CI Express 總線延長(zhǎng)方法在通信功能和信號(hào)質(zhì)量上都能滿足兩個(gè)設(shè)備之間的遠(yuǎn)距離通信需求，進(jìn)一步驗(yàn)證了該方法的可行性和正確性。

4 結(jié)語(yǔ)

PCI Express 總線在計(jì)算機(jī)、通信以及航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。因此，為實(shí)現(xiàn)PCI Express總線的遠(yuǎn)距離傳輸，提出了一種基于光纖傳輸?shù)腜CI Express 總線延長(zhǎng)方法，結(jié)合原理分析進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，并搭建測(cè)試環(huán)境驗(yàn)證了其功能和性能。結(jié)果顯示，PCI Express 總線的光纖延長(zhǎng)方法較傳統(tǒng)的同軸電纜延長(zhǎng)方法，具有傳輸距離遠(yuǎn)、信號(hào)質(zhì)量高和重量輕等優(yōu)勢(shì)，可用于設(shè)備之間的遠(yuǎn)距離高速互聯(lián)和計(jì)算機(jī)總線類(lèi)接口的板卡試驗(yàn)測(cè)試等，具有很高的實(shí)用價(jià)值。