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PCIe效能滿足功耗敏感性裝置與關鍵任務應用
 

【作者: Jen Lee】   2022年07月24日 星期日

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在各種裝置應用中,優越電源管理與錯誤處理能力有效提升了PCIe 功能,得以稱職勝任儲存裝置、網路、骨幹及 I/O 互連技術的可靠表現。


應用廣泛的連接功能

伺服器、儲存裝置及網路市場目前經常使用PCI Express(PCIe)互連各種裝置,工業自動化、物聯網、消費性裝置及車用電子產品的骨幹和I/O產品應用項目也紛紛正視其優點,擴大採用PCIe。



為了滿足相關領域的用戶期望與生態設計要求,PCI特殊課題小組(PCI-SIG)在延續多重世代的規範裡先後引進了各種省電創新項目,以及提高可靠性、可用性、可維護性(RAS)的各式功能。


今日的PCIe 3.0切換器支援每個通道最高8GT/s的資料傳輸速度,結合大頻寬及最新的電源管理和RAS功能,滿足行動與嵌入式產品應用項目的需求。


耗電量再降低


圖1 : PCIe的可擴充能力,容許設計人員配合產品應用項目,自訂使用中模式的介面頻寬與功耗。
圖1 : PCIe的可擴充能力,容許設計人員配合產品應用項目,自訂使用中模式的介面頻寬與功耗。

由於有更多的攜帶式裝置、行動裝置及物聯網產品應用項目尋求善用PCIe屬性,裝置使用期間與待機狀態時的互連功耗自然成為日益關鍵的焦點。PCIe的可擴充能力,容許設計人員配合產品應用項目,自訂使用中模式的介面頻寬與功耗。Diodes Incorporated提供包括PI7C9X3G606GP、PI7C9X3G808GP和PI7C9X3G816GP在內的PCIe 3.0切換器系列,這些產品分別提供6、8和16個PCIe 3.0連接通道。


從PCIe 3.0這一代開始,即是由鏈路訓練狀態機(LTSSM)訂定各種鏈路狀態,如此一來,就能確保裝置使用期間才會耗電,而在不使用之際,耗電量大幅節約,系統效能也不受影響。


L0是鏈路正常運作時的電源狀態。假如沒有傳輸資料,鏈路即進入L1狀態,此時會關閉部分PCIe收發器邏輯。此外,只在單一方向傳輸資料的情況下,還有L0s這個狀態,專供鏈路上的兩個裝置獨立關閉發射器,從而滿足更細緻的需求。


考量到實體層裡還有類比電路,閒置之際每個通道還會消耗幾毫瓦,另行定義的另一個L1子狀態可供關閉類比元件,確保最大化的節電效果。在L1.1的子狀態下,收發器PLL將會關閉,而L1.2子狀態則是關閉共模電壓保持器,進一步降低功率。為了實現L1.1與L1.2的低功耗狀態,恢復延遲將會略為延長。表 1 說明L1和L1.1/L1.2子狀態的特性及效能。



圖2 : 比較 L1及L1子狀態的節電表現與效能。(source:synopsys)
圖2 : 比較 L1及L1子狀態的節電表現與效能。(source:synopsys)

為了達到這樣的效果,並且確保鏈路在需要之際進入最合適的低功耗狀態以恢復運行,延遲容限報告(LTR)可供主機判斷在從任何特定裝置中斷服務前的最長等待時間。至於緩衝區清空/填滿最佳化(OBFF)功能,則允許主機將系統狀態資訊發送予裝置,這樣就能關閉主機處理器和記憶體子系統,維持更長的低功耗狀態,成就最大化的省電表現。


還有其他低功耗狀態可供選用,像是完全關閉收發器的L2與關閉收發器及移除電源的L3,相關狀態設定有助於在裝置閒置期間,確保PCIe互連電路的功耗降至最低。這對於物聯網產品應用及筆記型電腦、平板電腦等設備來說尤為重要,有效避免了裝置閒置期間的電池意外耗盡。


PCIe切換器PI7C9X3G606GP、PI7C9X3G808GP和PI7C9X3G816GP支援前述的低功耗鏈路狀態與子狀態,還能關閉任何空的熱插拔埠,直到需要使用它們再行開啟。憑藉啟動和連續運行的電源管理方案,它們在所有模式下的功耗都極低。在滿載和80°C接面溫度下,PI7C9X3G808GP的功耗僅為2.9W。相關裝置的工業溫度範圍為:-40°C至85°C。


新推出的切換器產品還特別內建了PCIe 3.0時鐘緩衝器,協助設計人員最佳調整產品應用項目的功能和效能。緩衝器支援各種PCIe 3.0參考時脈架構,包括通用、獨立參考無擴頻 (SRNS)和獨立參考擴頻(SRIS)。



圖3 : PI7C9X3G606GP
圖3 : PI7C9X3G606GP

在 PCIe 中針對 RAS 進行定址

在特定物聯網裝置與機器人當中,具備關鍵任務性質或高度重視安全的產品應用項目,極為講求高度可靠性、可用性與可維修性。此時必須備妥合適機制,確保介面能在不斷變動的內部或外部條件下正常運作,且在資料出錯過後也能恢復,重新正常運行。


在由PCIe規範的各種基本及選用功能裡,涵蓋了確保端到端資料完整性的基本要求。其中包括用於偵測錯誤的 32 位元逐個鏈路循環冗餘碼(LCRC),以及允許請求重放的確認機制 (ACK/NACK)。確認逾時證實鏈路夥伴正常運作,就可以在未接收情況下重新訓練鏈路。另有用於偵測端到端資料完整性的交易層32位元CRC(ECRC)。此外,針對潛在逾時的失效安全機制,可供確保鏈路夥伴返回到已知狀態,並且重新初始化LTSSM。


若有需要則可選用先進錯誤報告(AER)這項PCIe功能,從而擴大錯誤訊號和記錄範圍。錯誤寄存器顯示PCIe裝置功能上每個錯誤的狀態、指出錯誤的嚴重性和來源,且能評估可改善及不可改善的錯誤,從而確保系統順利偵測故障,並進入安全狀態。


Diodes的PI7C9X3G606GP、PI7C9X3G808GP及PI7C9X3G816GP除了支援各種資料完整性功能,同時也支援PCIe規範中的規定,據以處理突然熱拔除相連裝置的情況。移除裝置之際,請求逾時的正常回應較慢,可能造成資料錯誤及任務中斷;偵測到移除裝置之際,只要能快速加以回應,即足以避免意外熱拔除造成的各種錯誤。


切換器同時支援選用PCIe的下游埠遏制(DPC)功能,專門處理無法改善的錯誤。具備 DPC功能的連接埠,一旦偵測到無法改善的錯誤時,會自動禁用一個鏈路,藉由此舉避免損壞資料擴散,同時兼顧裝置的順利移除。移除裝置後,則會清除狀態標誌,此時就可以對新連接的裝置重新訓練鏈路。這些切換器同時對於上游/下游埠和序列/平行熱插拔類型,支援熱插拔。


其他功能則包括支援跨域端點(CDEP)模式,其中一個埠被配置為CDEP,據此連接至另一台主機而非連接到端點。這樣的設計提供了故障轉移冗餘,或是確保兩個處理器之間,乃至於一個處理器與另一個配置為處理器模式的智慧轉接器之間,通訊的順利進行。個別裝置均具備四個物理直接記憶體存取(DMA)通道,提高了主機與端點之間交換資料的效率;此等物理通道可以共用,容許八對位置同時傳輸資料。


結論

PCIe的普及正從已超越資料中心、伺服器及個人電腦領域擴展到更廣泛的領域,包括工業、物聯網和消費性裝置市場等。在最新規範裡增添更強大的功能,就能將功耗降至最低,同時提高RAS。支援相關功能的PCIe切換器,可提供系統設計人員在注重功耗及重要產品應用項目,充分善用此種互連技術的速度優勢與多功能特質。


(本文作者Jen Lee為Diodes 公司行銷協理)


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