嵌入式系統(tǒng)的PCI Express時鐘分配

?PCI Express （PCIe）是嵌入式和其它系統(tǒng)類型的背板間通信的一個非常理想的協(xié)議。然而，在嵌入式環(huán)境中，背板連接器引腳通常很昂貴。因此，采用點對點連接的星型結(jié)構(gòu)的PCIe時鐘分配方案就變得并不理想。本文將討論如何使用一個多點信號來分配PCIe時鐘，而且仍滿足PCIe第二代規(guī)范嚴(yán)格的抖動要求。

PCIe計時

??? PCIe基本規(guī)范1.1和2.0為信令速率2.5Gbps和5.0Gbps的時鐘分配定義了三個不同模型，見圖1、圖2和圖3。

共用時鐘架構(gòu)作為最常使用的方法有很多理由。首先，大多數(shù)支持PCIe接口的商用芯片只適用于這種架構(gòu)。其次，這種架構(gòu)是唯一可以直接支持展頻計時（Spread Spectrum clocking，簡稱SSC）的架構(gòu)。SSC在減少電磁干擾峰化方面起著非常重要的作用，因此可以簡化符合系統(tǒng)電磁輻射限制的工作（見圖4）。最后，這種架構(gòu)最容易形成概念和設(shè)計。

??? 共用時鐘架構(gòu)最大的缺點在于需要為系統(tǒng)中每個PCIe端點分配基準(zhǔn)時鐘。頻率為 100MHz或125MHz的時鐘以及PCIe規(guī)范嚴(yán)格的抖動要求使得這一架構(gòu)變得尤其復(fù)雜。對2.5Gbps工作的限制為86ps——106采樣的一系列樣本的峰-峰相位抖動。而5.0Gbps工作的限制為3.1ps（均方根抖動值）。然而，要在5.0Gbps工作，收發(fā)器首先要在2.5Gbps協(xié)商，如果兩端都可以，再提高到5.0Gbps。這就是說如果系統(tǒng)支持任何5.0Gbps鏈接，則基準(zhǔn)時鐘就必須同時滿足兩者的抖動指標(biāo)。

??? 獨立的數(shù)據(jù)時鐘架構(gòu)不會受到上述限制，但卻大幅增加了時鐘系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性，且在不使用單邊帶信令時不支持SSC。

??? 基準(zhǔn)時鐘抖動的管理規(guī)范是PCIe基本規(guī)范1.1和2.0，而檢驗抖動達標(biāo)的方法詳細(xì)列在PCIe抖動建模修訂版1.0D和PCIe抖動和BER修訂版1.0中。機電規(guī)范提供了機械尺寸信息、電信號定義和功能。其中一些，如卡機電（Card Electromechanical，簡稱CEM）1.1和CEM2.0規(guī)范也為基準(zhǔn)時鐘、Tx鎖相環(huán)（Phase-Locked Loop，簡稱PLL）、Rx PLL和介質(zhì)提供了抖動預(yù)算。嚴(yán)格來講，CEM規(guī)范只申請了PC和服務(wù)器ATX，以及基于ATX的尺寸。其它已出版的機電規(guī)范覆蓋了其它尺寸，如用于移動計算平臺的Mini Card Electromechanical Specification 1.2。

??? 對于大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)，上述這些規(guī)范可以全部或部分用來規(guī)定嵌入式系統(tǒng)PCIe時鐘分配方案提供指南。例如，許多CEM文件規(guī)定了對基準(zhǔn)時鐘分配Host ClockSignal Level（HCSL）協(xié)議的使用。然而，許多嵌入式系統(tǒng)希望使用低電壓正射極耦合邏輯（Low Voltage Positive Emitter Coupled Logic，簡稱LVPECL）或多點低電壓差分信號（Multipoint-Low-Voltage Differential Signaling，簡稱M-LVDS）信令，以實現(xiàn)時鐘分配網(wǎng)絡(luò)更遠(yuǎn)的距離和/或噪聲容限。

??? 許多嵌入式系統(tǒng)需要在其背板之間分配包括時鐘在內(nèi)的大量高速信號。為了解決這些背板上經(jīng)常出現(xiàn)的繁重電氣負(fù)載問題，這些信號需要有非常強大的驅(qū)動器和高邊緣速率。這帶來了干擾和其它信號完整性的危險，尤其是在背板比最差設(shè)計點的負(fù)載更低時。另一個設(shè)計上的挑戰(zhàn)在于PCIe詳細(xì)規(guī)定了100MHz或125MHz的基準(zhǔn)時鐘，這是一個很難在高負(fù)載長背板上順利分配的頻率。

??? 除了PCIe規(guī)范嚴(yán)格的抖動限制和需要更長的信號距離，嵌入式系統(tǒng)通常還受到可能通過背板連接器和背板本身的信號量的限制。當(dāng)定制系統(tǒng)時，確定連接器引腳排列是最關(guān)鍵的任務(wù)之一。

建議的共用時鐘分配方案

??? 由于時鐘頻率和抖動限制，最常見的共用時鐘架構(gòu)設(shè)計利用點對點差分信號對來分配基準(zhǔn)時鐘，其中一個差分信號對將抵達系統(tǒng)的每個PCIe端點。如果一張卡上有多個PCIe端點，就可以從背板獲得一個基準(zhǔn)時鐘輸入，并利用零延遲緩沖器（Zero Delay Buffers，簡稱ZDB）提供卡上時鐘分配網(wǎng)絡(luò)。然而，即使這樣，由于PCIe 5.0Gbps運行的抖動限制，設(shè)計起來也是非常困難的。

??? 假設(shè)我們能設(shè)計出這樣的卡上分配方案，我們?nèi)孕枰峁腜CIe主到系統(tǒng)上每張卡的點對點連接。在嵌入式系統(tǒng)中，這需要在主卡插槽上增加大量連接器引腳，并在背板上增加大量有特殊布線要求的線跡。這還要給主卡插槽插入與其它插槽截然不同的引腳排列。

??? 一個消除這些限制的解決辦法是降除主卡上的PCIe基準(zhǔn)時鐘，并利用一個M-LVDS多點信號在背板之間進行分配，然后將其提高到目標(biāo)卡所需的頻率。盡管理論上非常簡單，但實現(xiàn)PCIe抖動限制卻很棘手（見圖5，注意綠色信號線不起作用）。

??? 這一解決方案可提供一個M-LVDS對，用來驅(qū)動或接收符合PCIe的基準(zhǔn)時鐘。如圖5所示，在許多嵌入式系統(tǒng)中，根據(jù)應(yīng)用的”與/或”插槽進行分配，每張卡都可作為主操作或端點操作。顯然，如圖所示，只用于其中一種模式操作的卡將被簡化。系統(tǒng)中的一張卡將作為主，利用其板上晶振生成滿足PCIe限制的基準(zhǔn)時鐘。這個時鐘將利用內(nèi)部時鐘分配網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動所有板上PCIe器件。該時鐘也將到達非PLL除法器電路，將100MHz或125MHz向下降除為25MHz的背板頻率，然后將除降了的基準(zhǔn)時鐘驅(qū)動到系統(tǒng)的其余卡上。

??? 系統(tǒng)中其它所有的卡將禁用板上時鐘發(fā)生器，形成基準(zhǔn)時鐘線跡的三態(tài)驅(qū)動器，并接收來自背板的基準(zhǔn)時鐘。隨后，這將通過基于PLL的ZDB提高到板上所需和分配的基準(zhǔn)時鐘頻率，并將劃分了的基準(zhǔn)時鐘驅(qū)動到系統(tǒng)的其它卡上。系統(tǒng)其它所有的卡將失去對板上時鐘發(fā)電器的使用，形成基準(zhǔn)時鐘線跡三態(tài)驅(qū)動器，并接收來自背板的基準(zhǔn)時鐘。這將通過基于PLL的ZDB提高到板上和分配所需的基準(zhǔn)時鐘頻率。接收和提高來自背板的基準(zhǔn)時鐘的電路通常在主卡上，如果需要，可以用來生成所需的另一個基準(zhǔn)時鐘頻率。為了實現(xiàn)PCIe所需的低抖動，IDT FemtoClock PLL技術(shù)可用于時鐘合成器和ZDB。

??? 像這種設(shè)計的最主要難點之一在于，PLL雖然可以過濾掉頻率高于PLL本身環(huán)路帶寬的噪聲信號，但在低于PLL環(huán)路帶寬的低頻部分，卻增加了很多在調(diào)制頻率附近的附加抖動。另外，由于PLL無法完全跟蹤基準(zhǔn)時鐘輸入的相位和頻率變化，從而引起跟蹤偏移。像這種包含兩個以上用于頻率生成和轉(zhuǎn)換的級聯(lián)型PLL的背板PCIe方案必須謹(jǐn)慎對待，以盡量降低相位抖動和PLL跟蹤偏移。

PCIe抖動的測量

??? 在深入分析這個解決方案的性能之前，需要先討論PCIe抖動性能的分析過程。 PCIe抖動工作組關(guān)注的一個首要問題是確定一個恰當(dāng)?shù)幕鶞?zhǔn)時鐘。為了這個目的，需要考慮基準(zhǔn)時鐘的Tx和Rx PLL及相位插值器的過濾效果。同時，為了避免對基準(zhǔn)時鐘規(guī)格不足，這些PLL的峰值效應(yīng)也需要考慮。這一過程分為四個主要步驟：

?? 1. 確定每個周期累積的相位誤差。串行數(shù)據(jù)傳輸不像并行數(shù)據(jù)傳輸那樣關(guān)心時鐘的Cycle-to-Cycle抖動和Period抖動，串行數(shù)據(jù)傳輸更關(guān)心累積相位誤。因此，我們必須首先確定每個時鐘周期的累積相位誤差。
?? 2. 將離散傅立葉變換（Discrete Fourier Transform，簡稱DFT）用于累積相位誤差數(shù)據(jù)，從而將時域的分析轉(zhuǎn)變到頻域進行分析。
?? 3. 將系統(tǒng)轉(zhuǎn)移函數(shù)用于累積相位誤差數(shù)據(jù)的DFT。
?? 4. 執(zhí)行逆DFT，使過濾后的累積相位誤差數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)回到時域內(nèi)，這便是最終結(jié)果。

??? 同時還要注意，通過設(shè)定系統(tǒng)轉(zhuǎn)移函數(shù)s=jω，可以在復(fù)雜的頻域?qū)崿F(xiàn)PLL系統(tǒng)的過濾分析。該分析對連續(xù)系統(tǒng)很有用，但由于采用相位檢測器和反饋除法器等數(shù)字元件，大多數(shù)現(xiàn)代PLL方案不是純粹的模擬系統(tǒng)，因而z域數(shù)字分析會更精確。但是，PCI抖動工作組的初步研究表明，受s域分析影響的誤差最小，因此s域分析可用于建模。然而，當(dāng)基頻低于PLL環(huán)路帶寬十倍時，s域近似值會顯著背離真值。所以系統(tǒng)設(shè)計師在選擇PLL時必須時刻謹(jǐn)記這一點。

抖動測量技巧

??? 測量方法不當(dāng)很容易得到兩倍以上于正確方法的抖動測量值。這里有一些技巧：

????? 從被測器件到示波器都使用屏蔽同軸電纜，并在示波器的輸入端做好恰當(dāng)?shù)钠ヅ洹?br>?? 1. 如果使用高阻抗探頭，可使用低電容探頭和接地夾，而非電線。
?? 2. 確保你使用了與樣本量一致的最高采樣率。
?? 3. 使示波器屏幕上的縱坐標(biāo)最大，以便精確地測量電壓。
?? 4. 使顯示器、開關(guān)式電源和手機遠(yuǎn)離被測器件?？尚袝r使用線性電源。
?? 5. 當(dāng)執(zhí)行差分測量時，確保兩條電纜已經(jīng)相互糾偏。

IDT解決方案分析

??? IDT的工程師通過菊鏈三個特性描述板以代表子卡：ICS841S32I板，然后是ICS8743008I板，最后一個也是ICS8743008I板，創(chuàng)建了解決方案的原型，見圖5。在第二個ICS8743008I輸出時進行測量。卸載來自示波器的時鐘周期數(shù)據(jù)，然后由抖動分析腳本進行后處理。該腳本可進行必要的頻域和時域分析。

??? 2.5Gbps分析方法的結(jié)果為18.91ps。這一結(jié)果符合4.5倍的裕量的 86ps的PCIe峰-峰相位抖動指標(biāo)。對于5.0Gbps操作，PCIe規(guī)定了rms相位抖動，而非峰-峰相位抖動。這些結(jié)果也超出了規(guī)范： 0.52ps rms低頻帶和1.47ps高頻帶與3.1ps規(guī)范限制之比。

??? 對于5.0Gbps工作，PCIe為頻域分析規(guī)定了兩個轉(zhuǎn)移函數(shù)和兩個頻率范圍。第一個轉(zhuǎn)移函數(shù)的極頻率為5MHz和16MHz，第二個轉(zhuǎn)移函數(shù)的極頻率為8MHz和16MHz。抖動分析所得的兩個頻段為10KHz-1.5MHz（低頻帶），1.5MHz-Nyquist（高頻帶）。Nyquist表示你的分析達到了基準(zhǔn)時鐘頻率的一半。例如，在100MHz時，頻域分析將達到 50MHz。分析腳本會顯示每個頻率分析頻帶間兩個轉(zhuǎn)移函數(shù)間的最差情況。

結(jié)束語

??? PCIe標(biāo)準(zhǔn)最初用于定義PC系統(tǒng)，但由于其低引腳數(shù)和可擴展的高性能，很快成為幾乎所有應(yīng)用領(lǐng)域選擇的I/O接口。高速的基準(zhǔn)時鐘給希望利用PCIe元件的嵌入式系統(tǒng)工程師們提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。他們需要分配、選擇兩個不同的、符合規(guī)范的基準(zhǔn)時鐘速度。

??? 其中一個測試解決方案有助于系統(tǒng)利用支持100MHz和125MHz基準(zhǔn)時鐘的元件，并通過一個M-LVDS差分對將其分配到系統(tǒng)的所有卡上。這一解決方案也可以對卡進行設(shè)置，因此這些卡可以在其應(yīng)用指令下作為主或端點操作，而且能插入系統(tǒng)的任何插槽。另外，這一解決方案降低了背板上基準(zhǔn)時鐘的工作頻率，放寬了該信號的路由限制和串?dāng)_性能。只要滿足2.5Gbps和5.0Gbps操作 PCIe規(guī)范嚴(yán)格的抖動要求，所有這些都可以用一個設(shè)計實現(xiàn)。