如何優(yōu)化PCIe 應(yīng)用中的時鐘分配

　　PCI Express® (PCIe®) 是一項業(yè)界領(lǐng)先的標準輸入/輸出 (I/O) 技術(shù)，是服務(wù)器、個人電腦以及其它應(yīng)用中最常用的 I/O 接口之一。該標準多年來不斷發(fā)展，以適應(yīng)更高的數(shù)據(jù)速率(見表 1)。第 3 代 PCIe 引入了全新的編碼方案，其可在不增加數(shù)據(jù)速率一倍的情況下，將數(shù)據(jù)吞吐量提升一倍。PCI-SIG 近期宣布推出的第 4 代 PCIe 具有 16 G 每秒傳輸 (GT/s) 的比特率。第 4 代的規(guī)范預(yù)計將在 2014 或 2015 年發(fā)布。

表 1：各代 PCIe 的數(shù)據(jù)吞吐量

　　隨著數(shù)據(jù)速率的提升，參考時鐘需求也在不斷提高。本文將重點介紹參考時鐘需求。

　　PCIe 參考時鐘 (RefClk) 規(guī)范可針對 3 種不同架構(gòu)定義，分別是：數(shù)據(jù)時鐘、獨立 RefClk 以及通用 RefClk。每個架構(gòu)都具有特定的濾波器函數(shù)。在接收器時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)輸入端出現(xiàn)的有效抖動是接收器及發(fā)送器 PLL 帶寬與 RefClk 抖動頻譜所涉及峰值之差的函數(shù)。此外，它還取決于 RefClk 架構(gòu)。

　　在獨立 RefClk 架構(gòu)中，發(fā)送器 (TX) 與接收器 (RX) 都可接收獨立的 RefClk。這會導(dǎo)致嚴格的抖動需求，而且不能應(yīng)用擴展頻譜時鐘 (SSC)。

　　在數(shù)據(jù)時鐘架構(gòu)中，單個 RefClk 可連接至發(fā)送器，而接收器則使用來自數(shù)據(jù)流的嵌入式時鐘信號。時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù) (CDR) 電路可提取數(shù)據(jù)流中的時鐘。它最大限度地緩解了抖動要求，而且也可應(yīng)用 SSC。但是，這是一種相對較新的標準，很多器件都不支持。

　　最佳備選標準(也是最常用的標準)是通用 RefClk 架構(gòu)。它不僅可向發(fā)送器與接收器提供相同的 RefClk，而且還支持可減少電磁干擾 (EMI) 的 SSC，其實施非常便捷。這種架構(gòu)的缺點是 RefClk 需要滿足不足 12ns 的偏移需求。下列是通用 RefClk 架構(gòu)及其應(yīng)用實例。

表 2：應(yīng)用濾波器函數(shù)后的通用 RefClk 抖動規(guī)范

　　服務(wù)器卡等通用 PCIe 應(yīng)用包含幾個構(gòu)建塊。系統(tǒng)的核心是根聯(lián)合體，其代表 I/O 系統(tǒng)的根。根聯(lián)合體連接 CPU 和存儲器，可能具有多個 PCIe 端口。此外，它還包含開關(guān)和 PCIe 端點(例如顯卡)。I/O 系統(tǒng)的所有組件都要符合發(fā)送器/接收器與 RefClk 的抖動要求。如果所有構(gòu)建塊都兼容于第 3 代 PCIe，那么都要達到 1ps rms 的 RefClk 要求(圖 1)。

圖 1：解決方案 1：支持第 3 代 PCIe 通用 RefClk 抖動限制的服務(wù)器卡實例

　　圖 1 所示系統(tǒng)可使用一個 7 輸出時鐘生成器實現(xiàn)。這種實施方案最終可能需要一個以上基于時鐘生成器的時鐘樹解決方案，因為還需要生成其它系統(tǒng)時鐘。系統(tǒng)時鐘生成器可為千兆位以太網(wǎng)器件、SATA 控制器、DDR 時鐘等生成參考時鐘。在圖 2 中，RefClk 生成器由時鐘緩沖器取代。這不僅可簡化時鐘樹，而且還可提供成本更低、空間更優(yōu)化的解決方案。

　　
表 3：解決方案 1 與解決方案 2 以及空間與成本的對比