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PCIe效能满足功耗敏感性装置与关键任务应用
 

【作者: Jen Lee】2022年07月24日 星期日

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在各种装置应用中,优越电源管理与错误处理能力有效提升了PCIe 功能,得以称职胜任储存装置、网路、骨干及 I/O 互连技术的可靠表现。


应用广泛的连接功能

伺服器、储存装置及网路市场目前经常使用PCI Express(PCIe)互连各种装置,工业自动化、物联网、消费性装置及车用电子产品的骨干和I/O产品应用项目也纷纷正视其优点,扩大采用PCIe。


为了满足相关领域的用户期??与生态设计要求,PCI特殊课题小组(PCI-SIG)在延续多重世代的规范里先後引进了各种省电创新项目,以及提高可靠性、可用性、可维护性(RAS)的各式功能。


今日的PCIe 3.0切换器支援每个通道最高8GT/s的资料传输速度,结合大频宽及最新的电源管理和RAS功能,满足行动与嵌入式产品应用项目的需求。


耗电量再降低


图1 : PCIe的可扩充能力,容许设计人员配合产品应用项目,自订使用中模式的介面频宽与功耗。
图1 : PCIe的可扩充能力,容许设计人员配合产品应用项目,自订使用中模式的介面频宽与功耗。

由於有更多的携带式装置、行动装置及物联网产品应用项目寻求善用PCIe属性,装置使用期间与待机状态时的互连功耗自然成为日益关键的焦点。PCIe的可扩充能力,容许设计人员配合产品应用项目,自订使用中模式的介面频宽与功耗。Diodes Incorporated提供包括PI7C9X3G606GP、PI7C9X3G808GP和PI7C9X3G816GP在内的PCIe 3.0切换器系列,这些产品分别提供6、8和16个PCIe 3.0连接通道。


从PCIe 3.0这一代开始,即是由链路训练状态机(LTSSM)订定各种链路状态,如此一来,就能确保装置使用期间才会耗电,而在不使用之际,耗电量大幅节约,系统效能也不受影响。


L0是链路正常运作时的电源状态。假如没有传输资料,链路即进入L1状态,此时会关闭部分PCIe收发器逻辑。此外,只在单一方向传输资料的情况下,还有L0s这个状态,专供链路上的两个装置独立关闭发射器,从而满足更细致的需求。


考量到实体层里还有类比电路,闲置之际每个通道还会消耗几毫瓦,另行定义的另一个L1子状态可供关闭类比元件,确保最大化的节电效果。在L1.1的子状态下,收发器PLL将会关闭,而L1.2子状态则是关闭共模电压保持器,进一步降低功率。为了实现L1.1与L1.2的低功耗状态,恢复延迟将会略为延长。表 1 说明L1和L1.1/L1.2子状态的特性及效能。



图2 : 比较 L1及L1子状态的节电表现与效能。(source:synopsys)
图2 : 比较 L1及L1子状态的节电表现与效能。(source:synopsys)

为了达到这样的效果,并且确保链路在需要之际进入最合适的低功耗状态以恢复运行,延迟容限报告(LTR)可供主机判断在从任何特定装置中断服务前的最长等待时间。至於缓冲区清空/填满最隹化(OBFF)功能,则允许主机将系统状态资讯发送予装置,这样就能关闭主机处理器和记忆体子系统,维持更长的低功耗状态,成就最大化的省电表现。


还有其他低功耗状态可供选用,像是完全关闭收发器的L2与关闭收发器及移除电源的L3,相关状态设定有助於在装置闲置期间,确保PCIe互连电路的功耗降至最低。这对於物联网产品应用及笔记型电脑、平板电脑等设备来说尤为重要,有效避免了装置闲置期间的电池意外耗尽。


PCIe切换器PI7C9X3G606GP、PI7C9X3G808GP和PI7C9X3G816GP支援前述的低功耗链路状态与子状态,还能关闭任何空的热??拔埠,直到需要使用它们再行开启。凭藉启动和连续运行的电源管理方案,它们在所有模式下的功耗都极低。在满载和80。C接面温度下,PI7C9X3G808GP的功耗仅为2.9W。相关装置的工业温度范围为:-40。C至85。C。


新推出的切换器产品还特别内建了PCIe 3.0时钟缓冲器,协助设计人员最隹调整产品应用项目的功能和效能。缓冲器支援各种PCIe 3.0叁考时脉架构,包括通用、独立叁考无扩频 (SRNS)和独立叁考扩频(SRIS)。



图3 : PI7C9X3G606GP
图3 : PI7C9X3G606GP

在 PCIe 中针对 RAS 进行定址

在特定物联网装置与机器人当中,具备关键任务性质或高度重视安全的产品应用项目,极为讲求高度可靠性、可用性与可维修性。此时必须备妥合适机制,确保介面能在不断变动的内部或外部条件下正常运作,且在资料出错过後也能恢复,重新正常运行。


在由PCIe规范的各种基本及选用功能里,涵盖了确保端到端资料完整性的基本要求。其中包括用於侦测错误的 32 位元逐个链路循环冗馀码(LCRC),以及允许请求重放的确认机制 (ACK/NACK)。确认逾时证实链路夥伴正常运作,就可以在未接收情况下重新训练链路。另有用於侦测端到端资料完整性的交易层32位元CRC(ECRC)。此外,针对潜在逾时的失效安全机制,可供确保链路夥伴返回到已知状态,并且重新初始化LTSSM。


若有需要则可选用先进错误报告(AER)这项PCIe功能,从而扩大错误讯号和记录范围。错误寄存器显示PCIe装置功能上每个错误的状态、指出错误的严重性和来源,且能评估可改善及不可改善的错误,从而确保系统顺利侦测故障,并进入安全状态。


Diodes的PI7C9X3G606GP、PI7C9X3G808GP及PI7C9X3G816GP除了支援各种资料完整性功能,同时也支援PCIe规范中的规定,据以处理突然热拔除相连装置的情况。移除装置之际,请求逾时的正常回应较慢,可能造成资料错误及任务中断;侦测到移除装置之际,只要能快速加以回应,即足以避免意外热拔除造成的各种错误。


切换器同时支援选用PCIe的下游埠遏制(DPC)功能,专门处理无法改善的错误。具备 DPC功能的连接埠,一旦侦测到无法改善的错误时,会自动禁用一个链路,藉由此举避免损坏资料扩散,同时兼顾装置的顺利移除。移除装置後,则会清除状态标志,此时就可以对新连接的装置重新训练链路。这些切换器同时对於上游/下游埠和序列/平行热??拔类型,支援热??拔。


其他功能则包括支援跨域端点(CDEP)模式,其中一个埠被配置为CDEP,据此连接至另一台主机而非连接到端点。这样的设计提供了故障转移冗馀,或是确保两个处理器之间,乃至於一个处理器与另一个配置为处理器模式的智慧转接器之间,通讯的顺利进行。个别装置均具备四个物理直接记忆体存取(DMA)通道,提高了主机与端点之间交换资料的效率;此等物理通道可以共用,容许八对位置同时传输资料。


结论

PCIe的普及正从已超越资料中心、伺服器及个人电脑领域扩展到更广泛的领域,包括工业、物联网和消费性装置市场等。在最新规范里增添更强大的功能,就能将功耗降至最低,同时提高RAS。支援相关功能的PCIe切换器,可提供系统设计人员在注重功耗及重要产品应用项目,充分善用此种互连技术的速度优势与多功能特质。


(本文作者Jen Lee为Diodes 公司行销协理)


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