PCI Express 在嵌入式系统中的应用

在过去几十年里，PCI总线是一种非常成功的通用I/O总线标准，尤其在嵌入式系统应用中，经常会看到PCI总线的踪影，但它将不能满足未来计算机设备的带宽需要。随着制造工艺的发展，将会出现10GHz的CPU，高速的内存和显卡，甚至1Gbps和10Gbps的网卡等其他需要“无限”内部带宽的设备。由Intel公司推出的第三代I/O总线结构PCI Express（3GIO）就是顺应这种需要产生的。它不但能与原来的PCI设备兼容工作，还可以增强原有设备的性能。其特点就是高性能，高扩展性，高可靠性，好的升级性及低的成本[1][2]。

　　2002年7月23日，PCI-SIG正式公布了PCI Express 1.0规范，并且根据其开发蓝图，将在2006年正式推出2.0规范。

　　PCI Express有两个版本：基础版和交换版。

　　基础版的特点是：与PCI软件兼容;很少的引脚数量（串行）;高速率（2.5Gbps/通道）;可扩展（到32通道）;CRC（链路，端到端）;热插拔;QoS（Quality of Service）能力。

　　交换版的特点是：物理层和数据链路层与基本版兼容;基于源的路由;多协议封装;堵塞管理;多播/广播。

　　PCI Express的拓扑结构包括一个主桥和若干终点（End Point）（对应若干输入输出设备），见图1。多点对点联结技术将新的特性-开关技术-引入了输入输出总线拓扑结构。开关技术替代了原来的多点复用（multi-drop）总线技术，在不同的终点间它提供对等联结的方式，将各个终点的数据分开传输，最后汇总到主桥内[3]。

PCI Express的基本特征：

　　● 串行LVDS链接，见图2;

● 基于互换的拓扑结构;

　　● 每个通道的每个方向数据传输速率为2.5Gbps;

　　● 最高连接通道为32个;

　　● 带宽可扩展（最大×32）。

　　● CRC（链路，端到端）;

　　● 热插拔;

　　● NTB链接的多HOST结构;

　　● 与PCI/X兼容;

　　● 电源管理。

　　下表中列出了PCI Express特点所带来的使用上的优点。

　　表一：

表二是将PCI Express与PCI/X进行的对比。

　　表二：

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注1. 并行总线通常包含地址/数据信号和一些边带信号。边带信号用来表示总线上数据的方向和事务处理的类型，还能用于表示中断或总线主控请求。

　　注2. 一个典型的PCI Express连接使用两个LVDS（低电压差分信号）对，一对用于发送，一对用于接收。在这个结构中没有边带信号，见图3。[3]

图3 典型的PCI Express连接

图4 PCI Express在嵌入式控制系统的应用

　　注3. PCI Express信道能聚集以增加总带宽，可用的带宽直接与通道的数目成比例。其有效组合为×1，×2，×4，×8，×12，×16，×32，通道数加倍带宽也加倍。如一个10Gbps的以太网控制器可以使用4条PCI Express来与控制器的带宽相匹配。

　　由于PCI Express的突出特性，决定了它可以用于很多领域，诸如服务器、成像系统、存储系统、通信系统、工业控制等，影响比较大的可能还是嵌入式系统，图4给出了其应用于嵌入式系统的应用拓扑结构。可以看出，在这种拓扑结构中本地端设备通过PCI Express桥连接在一起，不再是通过PCI桥连接。依赖开关技术，本地端设备就可以“无限”的扇出，且传输速率不会下降，而传统的依靠PCI桥连接的设备由于多点复用总线技术的限制，每一路本地端设备的传输速率会下降。在嵌入式应用方面，另外一个比较让人关注的应该是Express Card，这种具有USB2.0接口的小型卡，其硬件成本低，功能性好，将会取代笨重的PC卡和发挥Compact Flash的优点。但是这种卡进入嵌入式市场的速度不会很快，因为PCI Express将涉及硬件支持形式和特点的重大改变，对现有板卡的板形标准仍待制定[4]。

　　由于PCI Express技术卓越的特性，很多公司都投入了大量的精力来促进该技术的推广。在2003年秋天的Intel开发论坛上，PLX第一个演示了基于PCI Express的ATCA（Advanced Telecom Computing Architecture）系统。各芯片组厂商也忙于开发支持PCI Express的芯片。

　　Mellanox技术公司已经公布了相关的芯片产品。

　　Intel的i915P Grantsdale和i925×Alderwood芯片组将包括用于图形的×16连接，并支持333/400MHz的DDR和400/533MHz的DDR2。Intel的南桥芯片ICH6将有4条PCI Express×1连接和4个串行ATA150端口。ICH6的俗称是Azalia，可以为PC提供192KHz，32位的多通道音频支持。

　　威盛的北桥芯片保留了传统的AGP支持，其新的VT8251南桥芯片还将包括两个×1PCI Express连接，4个串行ATA端口，Gb级以太网和8通道192KHz，24位音频支持。

　　SiS的第一代PCI Express南桥芯片SiS965L将包括两个×1连接，8通道音频，两个串行ATA端口和Gb级以太网支持。该公司已经量产SiS965和9652南桥芯片。

　　VIA和Ali也计划今年第3季度量产PCI Express南桥芯片VT8251和M1573。

　　PCI Express的卓越特性及Intel公司的大力推广，使得PCI Express技术已经得到业界的广泛认可，相信以后它必将取代现在的PCI总线并成为新的主流的内部互联总线并在嵌入式系统及相关领域中大显身手。