PCIe效能满足功耗敏感性装置与关键任务应用

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、网络、骨干及 I/O 互连技术的可靠表现。

应用广泛的连接功能
服务器、储存装置及网络市场目前经常使用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望与生态设计要求，PCI特殊课题小组（PCI-SIG）在延续多重世代的规范里先后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切换器支持每个信道最高8GT/s的数据传输速度，结合大带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，自定义使用中模式的接口带宽与功耗。

由于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，自定义使用中模式的接口带宽与功耗。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。假如没有传输数据，链路即进入L1状态，此时会关闭部分PCIe收发器逻辑。此外，只在单一方向传输数据的情况下，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。

考虑到物理层里还有模拟电路，闲置之际每个通道还会消耗几毫瓦，另行定义的另一个L1子状态可供关闭模拟组件，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）

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。至于缓冲区清空/填满优化（OBFF）功能，则允许主机将系统状态信息发送予装置，这样就能关闭主机处理器和内存子系统，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，相关状态设定有助于在装置闲置期间，确保PCIe互连电路的功耗降至最低。这对于物联网产品应用及笔记本电脑、平板计算机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支持前述的低功耗链路状态与子状态，还能关闭任何空的热插入埠，直到需要使用它们再行开启。凭借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，协助设计人员最佳调整产品应用项目的功能和效能。缓冲器支持各种PCIe 3.0参考频率架构，包括通用、独立参考无扩频 （SRNS）和独立参考扩频（SRIS）。

在 PCIe 中针对 RAS 进行寻址
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，确保接口能在不断变动的内部或外部条件下正常运作，且在数据出错过后也能恢复，重新正常运行。

在由PCIe规范的各种基本及选用功能里，涵盖了确保端到端数据完整性的基本要求。其中包括用于侦测错误的 32 位逐个链路循环冗余代码（LCRC），以及允许请求重放的确认机制 （ACK/NACK）。确认逾时证实链路伙伴正常运作，就可以在未接收情况下重新训练链路。另有用于侦测端到端数据完整性的交易层32位CRC（ECRC）。此外，针对潜在逾时的失效安全机制，可供确保链路伙伴返回到已知状态，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除了支持各种数据完整性功能，同时也支持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，请求逾时的正常响应较慢，可能造成数据错误及任务中断；侦测到移除装置之际，只要能快速加以响应，即足以避免意外热拔除造成的各种错误。

切换器同时支持选用PCIe的下游端口遏制（DPC）功能，专门处理无法改善的错误。具备 DPC功能的端口，一旦侦测到无法改善的错误时，会自动禁用一个链路，藉由此举避免损坏数据扩散，同时兼顾装置的顺利移除。移除装置后，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。这些切换器同时对于上游/下游埠和序列/平行热插入类型，支持热插入。

其他功能则包括支持跨域端点（CDEP）模式，其中一个端口被配置为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余，或是确保两个处理器之间，乃至于一个处理器与另一个配置为处理器模式的智能转接器之间，通讯的顺利进行。个别装置均具备四个物理直接内存访问（DMA）信道，提高了主机与端点之间交换数据的效率；此等物理信道可以共享，容许八对位置同时传输数据。

结论
PCIe的普及正从已超越数据中心、服务器及个人计算机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。支持相关功能的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 公司营销协理）