PCI Express在嵌入式系統(tǒng)中的應用

　　在過去幾十年里，PCI總線是一種非常成功的通用I/O總線標準，尤其在嵌入式系統(tǒng)應用中，經常會看到PCI總線的蹤影，但它將不能滿足未來計算機設備的帶寬需要。隨著制造工藝的發(fā)展，將會出現(xiàn)10GHz的CPU，高速的內存和顯卡，甚至1Gbps和10Gbps的網卡等其他需要“無限”內部帶寬的設備。由Intel公司推出的第三代I/O總線結構PCI Express（3GIO）就是順應這種需要產生的。它不但能與原來的PCI設備兼容工作，還可以增強原有設備的性能。其特點就是高性能，高擴展性，高可靠性，好的升級性及低的成本[1][2]。

　　2002年7月23日，PCI-SIG正式公布了PCI Express 1.0規(guī)范，并且根據(jù)其開發(fā)藍圖，將在2006年正式推出2.0規(guī)范。

　　PCI Express有兩個版本：基礎版和交換版。

　　基礎版的特點是：與PCI軟件兼容;很少的引腳數(shù)量（串行）;高速率（2.5Gbps/通道）;可擴展（到32通道）;CRC（鏈路，端到端）;熱插拔;QoS（Quality of Service）能力。

　　交換版的特點是：物理層和數(shù)據(jù)鏈路層與基本版兼容;基于源的路由;多協(xié)議封裝;堵塞管理;多播/廣播。

　　PCI Express的拓撲結構包括一個主橋和若干終點（End Point）（對應若干輸入輸出設備），見圖1。多點對點聯(lián)結技術將新的特性-開關技術-引入了輸入輸出總線拓撲結構。開關技術替代了原來的多點復用（multi-drop）總線技術，在不同的終點間它提供對等聯(lián)結的方式，將各個終點的數(shù)據(jù)分開傳輸，最后匯總到主橋內[3]。

　　PCI Express的基本特征：

　　● 串行LVDS鏈接，見圖2;

　　● 基于互換的拓撲結構;

　　● 每個通道的每個方向數(shù)據(jù)傳輸速率為2.5Gbps;

　　● 最高連接通道為32個;

　　● 帶寬可擴展（最大×32）。

　　● CRC（鏈路，端到端）;

　　● 熱插拔;

　　● NTB鏈接的多HOST結構;

　　● 與PCI/X兼容;

　　● 電源管理。

　　下表中列出了PCI Express特點所帶來的使用上的優(yōu)點。

表一：

　　表二是將PCI Express與PCI/X進行的對比。

表二：

　　注1. 并行總線通常包含地址/數(shù)據(jù)信號和一些邊帶信號。邊帶信號用來表示總線上數(shù)據(jù)的方向和事務處理的類型，還能用于表示中斷或總線主控請求。

　　注2. 一個典型的PCI Express連接使用兩個LVDS（低電壓差分信號）對，一對用于發(fā)送，一對用于接收。在這個結構中沒有邊帶信號，見圖3。[3]

圖3 典型的PCI Express連接

　　注3. PCI Express信道能聚集以增加總帶寬，可用的帶寬直接與通道的數(shù)目成比例。其有效組合為×1，×2，×4，×8，×12，×16，×32，通道數(shù)加倍帶寬也加倍。如一個10Gbps的以太網控制器可以使用4條PCI Express來與控制器的帶寬相匹配。

　　由于PCI Express的突出特性，決定了它可以用于很多領域，諸如服務器、成像系統(tǒng)、存儲系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、工業(yè)控制等，影響比較大的可能還是嵌入式系統(tǒng)，圖4給出了其應用于嵌入式系統(tǒng)的應用拓撲結構。可以看出，在這種拓撲結構中本地端設備通過PCI Express橋連接在一起，不再是通過PCI橋連接。依賴開關技術，本地端設備就可以“無限”的扇出，且傳輸速率不會下降，而傳統(tǒng)的依靠PCI橋連接的設備由于多點復用總線技術的限制，每一路本地端設備的傳輸速率會下降。在嵌入式應用方面，另外一個比較讓人關注的應該是Express Card，這種具有USB2.0接口的小型卡，其硬件成本低，功能性好，將會取代笨重的PC卡和發(fā)揮Compact Flash的優(yōu)點。但是這種卡進入嵌入式市場的速度不會很快，因為PCI Express將涉及硬件支持形式和特點的重大改變，對現(xiàn)有板卡的板形標準仍待制定[4]。

圖4 PCI Express在嵌入式控制系統(tǒng)的應用

　　由于PCI Express技術卓越的特性，很多公司都投入了大量的精力來促進該技術的推廣。在2003年秋天的Intel開發(fā)論壇上，PLX第一個演示了基于PCI Express的ATCA（Advanced Telecom Computing Architecture）系統(tǒng)。各芯片組廠商也忙于開發(fā)支持PCI Express的芯片。

　　Mellanox技術公司已經公布了相關的芯片產品。

　　Intel的i915P Grantsdale和i925×Alderwood芯片組將包括用于圖形的×16連接，并支持333/400MHz的DDR和400/533MHz的DDR2。Intel的南橋芯片ICH6將有4條PCI Express×1連接和4個串行ATA150端口。ICH6的俗稱是Azalia，可以為PC提供192KHz，32位的多通道音頻支持。

　　威盛的北橋芯片保留了傳統(tǒng)的AGP支持，其新的VT8251南橋芯片還將包括兩個×1PCI Express連接，4個串行ATA端口，Gb級以太網和8通道192KHz，24位音頻支持。

　　SiS的第一代PCI Express南橋芯片SiS965L將包括兩個×1連接，8通道音頻，兩個串行ATA端口和Gb級以太網支持。該公司已經量產SiS965和9652南橋芯片。

　　VIA和Ali也計劃今年第3季度量產PCI Express南橋芯片VT8251和M1573。

　　PCI Express的卓越特性及Intel公司的大力推廣，使得PCI Express技術已經得到業(yè)界的廣泛認可，相信以后它必將取代現(xiàn)在的PCI總線并成為新的主流的內部互聯(lián)總線并在嵌入式系統(tǒng)及相關領域中大顯身手。