如何優(yōu)化PCIe 應(yīng)用中的時(shí)鐘分配

　　PCI Express® (PCIe®) 是一項(xiàng)業(yè)界領(lǐng)先的標(biāo)準(zhǔn)輸入/輸出 (I/O) 技術(shù)，是服務(wù)器、個(gè)人電腦以及其它應(yīng)用中最常用的 I/O 接口之一。該標(biāo)準(zhǔn)多年來(lái)不斷發(fā)展，以適應(yīng)更高的數(shù)據(jù)速率(見(jiàn)表 1)。第 3 代 PCIe 引入了全新的編碼方案，其可在不增加數(shù)據(jù)速率一倍的情況下，將數(shù)據(jù)吞吐量提升一倍。PCI-SIG 近期宣布推出的第 4 代 PCIe 具有 16 G 每秒傳輸 (GT/s) 的比特率。第 4 代的規(guī)范預(yù)計(jì)將在 2014 或 2015 年發(fā)布。

表 1：各代 PCIe 的數(shù)據(jù)吞吐量

　　隨著數(shù)據(jù)速率的提升，參考時(shí)鐘需求也在不斷提高。本文將重點(diǎn)介紹參考時(shí)鐘需求。

　　PCIe 參考時(shí)鐘 (RefClk) 規(guī)范可針對(duì) 3 種不同架構(gòu)定義，分別是：數(shù)據(jù)時(shí)鐘、獨(dú)立 RefClk 以及通用 RefClk。每個(gè)架構(gòu)都具有特定的濾波器函數(shù)。在接收器時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)輸入端出現(xiàn)的有效抖動(dòng)是接收器及發(fā)送器 PLL 帶寬與 RefClk 抖動(dòng)頻譜所涉及峰值之差的函數(shù)。此外，它還取決于 RefClk 架構(gòu)。

　　在獨(dú)立 RefClk 架構(gòu)中，發(fā)送器 (TX) 與接收器 (RX) 都可接收獨(dú)立的 RefClk。這會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)格的抖動(dòng)需求，而且不能應(yīng)用擴(kuò)展頻譜時(shí)鐘 (SSC)。

　　在數(shù)據(jù)時(shí)鐘架構(gòu)中，單個(gè) RefClk 可連接至發(fā)送器，而接收器則使用來(lái)自數(shù)據(jù)流的嵌入式時(shí)鐘信號(hào)。時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù) (CDR) 電路可提取數(shù)據(jù)流中的時(shí)鐘。它最大限度地緩解了抖動(dòng)要求，而且也可應(yīng)用 SSC。但是，這是一種相對(duì)較新的標(biāo)準(zhǔn)，很多器件都不支持。

　　最佳備選標(biāo)準(zhǔn)(也是最常用的標(biāo)準(zhǔn))是通用 RefClk 架構(gòu)。它不僅可向發(fā)送器與接收器提供相同的 RefClk，而且還支持可減少電磁干擾 (EMI) 的 SSC，其實(shí)施非常便捷。這種架構(gòu)的缺點(diǎn)是 RefClk 需要滿足不足 12ns 的偏移需求。下列是通用 RefClk 架構(gòu)及其應(yīng)用實(shí)例。

表 2：應(yīng)用濾波器函數(shù)后的通用 RefClk 抖動(dòng)規(guī)范

　　服務(wù)器卡等通用 PCIe 應(yīng)用包含幾個(gè)構(gòu)建塊。系統(tǒng)的核心是根聯(lián)合體，其代表 I/O 系統(tǒng)的根。根聯(lián)合體連接 CPU 和存儲(chǔ)器，可能具有多個(gè) PCIe 端口。此外，它還包含開(kāi)關(guān)和 PCIe 端點(diǎn)(例如顯卡)。I/O 系統(tǒng)的所有組件都要符合發(fā)送器/接收器與 RefClk 的抖動(dòng)要求。如果所有構(gòu)建塊都兼容于第 3 代 PCIe，那么都要達(dá)到 1ps rms 的 RefClk 要求(圖 1)。

圖 1：解決方案 1：支持第 3 代 PCIe 通用 RefClk 抖動(dòng)限制的服務(wù)器卡實(shí)例

　　圖 1 所示系統(tǒng)可使用一個(gè) 7 輸出時(shí)鐘生成器實(shí)現(xiàn)。這種實(shí)施方案最終可能需要一個(gè)以上基于時(shí)鐘生成器的時(shí)鐘樹(shù)解決方案，因?yàn)檫€需要生成其它系統(tǒng)時(shí)鐘。系統(tǒng)時(shí)鐘生成器可為千兆位以太網(wǎng)器件、SATA 控制器、DDR 時(shí)鐘等生成參考時(shí)鐘。在圖 2 中，RefClk 生成器由時(shí)鐘緩沖器取代。這不僅可簡(jiǎn)化時(shí)鐘樹(shù)，而且還可提供成本更低、空間更優(yōu)化的解決方案。

　　
表 3：解決方案 1 與解決方案 2 以及空間與成本的對(duì)比