PEX8724芯片概述

PEX8724是一款由Broadcom（博通）公司推出的高性能、低功耗的PCI Express（PCIe）交換芯片，專為滿足復(fù)雜系統(tǒng)的高速互連需求而設(shè)計(jì)。它遵循PCI Express 3.0標(biāo)準(zhǔn)，提供了24個(gè)可配置的PCIe通道和6個(gè)端口，旨在為數(shù)據(jù)中心、存儲設(shè)備、工業(yè)自動化和嵌入式系統(tǒng)等應(yīng)用提供強(qiáng)大的擴(kuò)展和連接能力。這款芯片的核心優(yōu)勢在于其靈活的端口配置、低延遲、高吞吐量以及對多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的支持，使其成為構(gòu)建復(fù)雜PCIe總線架構(gòu)的理想選擇。

PEX8724的內(nèi)部架構(gòu)經(jīng)過精心優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)傳輸和可靠的系統(tǒng)操作。它集成了先進(jìn)的交換矩陣，能夠以線速在不同的PCIe端口之間轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，最大程度地減少了傳輸瓶頸。芯片還支持各種高級功能，如多播（Multicast）、虛擬通道（Virtual Channels）、服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service, QoS）以及熱插拔（Hot-Plug）等，這些功能使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)者能夠構(gòu)建更加靈活、健壯且易于管理的系統(tǒng)。

該芯片還特別注重功耗管理，支持多種低功耗狀態(tài)，能夠在不影響系統(tǒng)性能的前提下，有效降低整體功耗，這對于對能耗有嚴(yán)格要求的應(yīng)用至關(guān)重要。此外，PEX8724還提供了全面的錯誤處理和報(bào)告機(jī)制，包括端到端數(shù)據(jù)完整性檢查（End-to-End CRC）和高級錯誤報(bào)告（Advanced Error Reporting），確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院拖到y(tǒng)的穩(wěn)定性。

核心架構(gòu)與關(guān)鍵特性

PCI Express 3.0標(biāo)準(zhǔn)兼容性PEX8724完全符合PCI Express 3.0規(guī)范，支持8.0 GT/s（Giga Transfers per second）的數(shù)據(jù)傳輸速率。這意味著每個(gè)PCIe通道在每個(gè)方向上都能提供高達(dá)1GB/s的吞吐量，從而為需要大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用提供了充足的帶寬。芯片向后兼容PCI Express 2.0和1.1標(biāo)準(zhǔn)，確保了與舊有設(shè)備的互操作性，為系統(tǒng)升級提供了便利。

靈活的端口配置PEX8724提供了6個(gè)端口和24個(gè)通道，這些端口和通道可以根據(jù)具體的應(yīng)用需求進(jìn)行靈活配置。芯片支持多種端口組合，例如：

• 1個(gè)上行端口（Uplink）和5個(gè)下行端口（Downlink），可以用于擴(kuò)展主板的PCIe插槽。

• 3個(gè)上行端口和3個(gè)下行端口，可以用于構(gòu)建復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浠蜻M(jìn)行多主機(jī)連接。

• 6個(gè)對等端口（Peer-to-Peer），可以用于設(shè)備之間的直接通信，無需經(jīng)過主機(jī)CPU，從而降低了延遲。 這種靈活性使得PEX8724能夠適應(yīng)從簡單的擴(kuò)展卡到復(fù)雜的背板互連等多種應(yīng)用場景。

先進(jìn)的交換矩陣PEX8724的核心是一個(gè)無阻塞的、高帶寬的交換矩陣。該矩陣能夠以線速在所有端口之間轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，確保了低延遲和高吞吐量。它采用先進(jìn)的調(diào)度算法，能夠公平地分配帶寬，避免了端口之間的競爭，從而保證了所有連接的設(shè)備都能獲得穩(wěn)定的性能。

低功耗設(shè)計(jì)為了降低功耗，PEX8724支持多種電源管理功能，包括：

• ASPM（Active State Power Management）：允許PCIe鏈路在空閑時(shí)進(jìn)入低功耗狀態(tài)，從而降低能耗。

• L1 Sub-State Power Management：提供了更細(xì)粒度的低功耗狀態(tài)，進(jìn)一步優(yōu)化了功耗。

• 熱插拔功能：PEX8724支持PCIe設(shè)備的熱插拔，使得用戶可以在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)插入或拔出設(shè)備，而無需關(guān)機(jī)。這對于需要高可用性的系統(tǒng)，如存儲服務(wù)器和通信設(shè)備，至關(guān)重要。

強(qiáng)大的錯誤處理與報(bào)告PEX8724集成了全面的錯誤處理和報(bào)告機(jī)制，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴Ｖ饕δ馨ǎ?/span>

• ECRC（End-to-End CRC）：在數(shù)據(jù)包的頭部和尾部添加CRC校驗(yàn)碼，以確保數(shù)據(jù)在傳輸過程中沒有被損壞。

• AER（Advanced Error Reporting）：提供了詳細(xì)的錯誤報(bào)告機(jī)制，允許系統(tǒng)軟件能夠準(zhǔn)確地定位和診斷錯誤。

• PHY Error Reporting：能夠報(bào)告物理層（PHY）的錯誤，如信號完整性問題，有助于調(diào)試和維護(hù)。

PEX8724引腳定義與信號描述

PEX8724芯片采用BGA（Ball Grid Array）封裝，擁有數(shù)百個(gè)引腳，每個(gè)引腳都有其特定的功能。以下是一些關(guān)鍵引腳的分類和描述，以幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)者理解其電氣特性和連接要求。

電源與地引腳

• VDD：核心電源引腳，用于為芯片的核心邏輯提供供電。

• VCC：I/O電源引腳，用于為PCIe的I/O接口提供供電。

• GND：地引腳，用于連接到系統(tǒng)的地平面。

• VDD_PCIE_PLL：專用于PCIe物理層PLL（鎖相環(huán)）的電源，以確保穩(wěn)定的時(shí)鐘信號。

• VCC_PCIE_REF：PCIe參考時(shí)鐘的電源。

時(shí)鐘引腳

• CLK_REF_IN：外部參考時(shí)鐘輸入引腳，通常為100MHz。

• CLK_OUT_UPLINK：上行端口的時(shí)鐘輸出。

• CLK_OUT_DOWNLINK：下行端口的時(shí)鐘輸出。

• CLK_PCIE_RST：PCIe復(fù)位信號，用于對芯片進(jìn)行硬復(fù)位。

PCIe數(shù)據(jù)引腳PEX8724的PCIe接口由多對差分信號線組成，每對信號線都包含一個(gè)發(fā)送端（TX）和一個(gè)接收端（RX），以實(shí)現(xiàn)高速串行數(shù)據(jù)傳輸。

• TXP_A/TXN_A：PCIe通道A的發(fā)送差分信號對。

• RXP_A/RXN_A：PCIe通道A的接收差分信號對。

• 芯片有多個(gè)這樣的通道，每個(gè)通道都由一對TX和RX差分信號對組成。

I2C與JTAG引腳

• SDA/SCL：I2C總線的數(shù)據(jù)和時(shí)鐘引腳，用于對芯片進(jìn)行配置和狀態(tài)讀取。

• TCK/TDI/TDO/TMS：JTAG調(diào)試接口引腳，用于芯片的邊界掃描和調(diào)試。

其他控制引腳

• RST_N：低電平有效的全局復(fù)位信號。

• PERST_N：PCIe復(fù)位信號，通常由主機(jī)發(fā)出。

• PLTRST_N：平臺復(fù)位信號。

• EEPROM_CS：用于訪問外部EEPROM的片選信號。

• GPIO：通用I/O引腳，可用于多種控制和狀態(tài)監(jiān)控目的。

在進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)時(shí)，必須嚴(yán)格遵循數(shù)據(jù)手冊中對引腳的電氣特性、連接要求和布線指南的規(guī)定，以確保信號完整性和芯片的正常工作。特別是對于高速PCIe信號線，必須進(jìn)行阻抗匹配和差分對布線，以最大程度地減少信號反射和串?dāng)_。

寄存器配置與軟件編程指南

PEX8724芯片的配置和管理主要通過其內(nèi)部的寄存器來實(shí)現(xiàn)。這些寄存器可以通過PCIe配置空間或I2C接口進(jìn)行訪問。了解并正確配置這些寄存器是實(shí)現(xiàn)PEX8724功能的關(guān)鍵。

PCIe配置空間PEX8724作為PCIe設(shè)備，其配置空間遵循PCI Express標(biāo)準(zhǔn)。它包含了多個(gè)配置寄存器，用于控制設(shè)備的各種行為。

• 配置頭（Configuration Header）：包含了設(shè)備ID、供應(yīng)商ID、類別碼等基本信息。

• PCIe能力結(jié)構(gòu)（PCIe Capability Structure）：包含了PCIe特定功能，如PCIe版本、鏈路能力、設(shè)備控制等。

• 端口配置寄存器：用于配置各個(gè)PCIe端口的工作模式、鏈路速度、通道分配等。

• 錯誤狀態(tài)寄存器：用于讀取芯片的錯誤狀態(tài)和錯誤報(bào)告。

• 高級錯誤報(bào)告能力寄存器：用于啟用和配置AER功能。

I2C接口配置除了PCIe配置空間，PEX8724還提供了一個(gè)I2C接口，用于在系統(tǒng)啟動前或通過嵌入式控制器對芯片進(jìn)行配置。通過I2C，可以訪問一些特殊的寄存器，例如：

• 初始化寄存器：用于在芯片上電時(shí)進(jìn)行一些基本的初始化設(shè)置。

• 端口復(fù)位寄存器：可以通過I2C接口對特定的PCIe端口進(jìn)行復(fù)位。

• GPIO控制寄存器：用于配置和控制GPIO引腳的功能。

軟件編程對PEX8724的軟件編程主要涉及以下幾個(gè)方面：

1. 驅(qū)動程序開發(fā)：在操作系統(tǒng)中，需要一個(gè)驅(qū)動程序來識別和管理PEX8724芯片。這個(gè)驅(qū)動程序負(fù)責(zé)在系統(tǒng)啟動時(shí)枚舉芯片的各個(gè)端口，并為連接到這些端口的設(shè)備分配資源。

2. 寄存器訪問：驅(qū)動程序需要通過PCIe配置空間讀寫PEX8724的寄存器，以配置其工作模式、鏈路速度、錯誤報(bào)告等。

3. 中斷處理：當(dāng)芯片發(fā)生錯誤時(shí)，會產(chǎn)生中斷信號。驅(qū)動程序需要注冊中斷處理函數(shù)，以響應(yīng)這些中斷并進(jìn)行相應(yīng)的錯誤處理。

4. 熱插拔管理：如果系統(tǒng)支持熱插拔功能，驅(qū)動程序需要監(jiān)控?zé)岵灏问录⒃谠O(shè)備插入或拔出時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的資源分配或釋放。

PEX8724的應(yīng)用案例分析

PEX8724芯片憑借其高性能和靈活性，被廣泛應(yīng)用于各種需要高速PCIe互連的場景。以下是一些典型的應(yīng)用案例：

服務(wù)器與存儲系統(tǒng)在服務(wù)器和存儲系統(tǒng)中，PEX8724可以作為PCIe交換機(jī)，用于擴(kuò)展主機(jī)的PCIe總線，連接多個(gè)PCIe設(shè)備，如SSD、RAID卡、網(wǎng)絡(luò)適配器等。通過PEX8724，可以在一個(gè)服務(wù)器中連接數(shù)十甚至數(shù)百個(gè)PCIe設(shè)備，大大提高了系統(tǒng)的存儲和I/O能力。例如，在一個(gè)NVMe SSD陣列中，PEX8724可以將多個(gè)NVMe SSD連接到主機(jī)CPU，從而實(shí)現(xiàn)高吞吐量和低延遲的存儲訪問。

工業(yè)自動化與嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)自動化領(lǐng)域，PEX8724可以用于連接各種傳感器、控制器和圖像采集卡等設(shè)備。其低延遲和高可靠性使得它非常適合實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理應(yīng)用。在嵌入式系統(tǒng)中，PEX8724可以用于擴(kuò)展CPU的PCIe總線，從而連接更多的外設(shè)，如GPU、FPGA、網(wǎng)絡(luò)接口等，以滿足復(fù)雜嵌入式應(yīng)用的性能需求。

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與通信系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中，PEX8724可以作為交換機(jī)，用于連接多個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口卡（NIC）或處理單元。例如，在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備中，PEX8724可以將多個(gè)10G或40G的NIC連接到主處理單元，以實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)包處理和轉(zhuǎn)發(fā)。其強(qiáng)大的QoS功能可以確保關(guān)鍵數(shù)據(jù)流的優(yōu)先級，從而滿足對實(shí)時(shí)性有嚴(yán)格要求的通信應(yīng)用。

GPU服務(wù)器與人工智能在GPU服務(wù)器和人工智能應(yīng)用中，PEX8724可以用于連接多個(gè)GPU，以構(gòu)建大規(guī)模的并行計(jì)算集群。通過PEX8724的對等（Peer-to-Peer）通信功能，GPU之間可以直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，無需經(jīng)過主機(jī)CPU，從而大大降低了通信延遲，提高了計(jì)算效率。這對于需要大量數(shù)據(jù)傳輸和并行計(jì)算的深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練和推理任務(wù)至關(guān)重要。

硬件設(shè)計(jì)與布局指南

在設(shè)計(jì)PEX8724的硬件電路板時(shí)，必須嚴(yán)格遵循一系列設(shè)計(jì)原則，以確保芯片的正常工作和信號的完整性。

電源設(shè)計(jì)PEX8724需要多個(gè)獨(dú)立的電源，包括核心電源、I/O電源和PLL電源。在設(shè)計(jì)電源電路時(shí)，應(yīng)使用低噪聲、低紋波的電源，并為每個(gè)電源提供足夠的去耦電容。去耦電容應(yīng)盡量靠近芯片的電源引腳放置，以減少高頻噪聲。同時(shí)，應(yīng)使用獨(dú)立的電源平面，以確保電源的穩(wěn)定性和隔離性。

時(shí)鐘設(shè)計(jì)PEX8724的參考時(shí)鐘是其正常工作的關(guān)鍵。應(yīng)使用一個(gè)高質(zhì)量的、低抖動的100MHz晶體振蕩器作為時(shí)鐘源。時(shí)鐘信號的布線應(yīng)盡量短且走線寬度一致，并進(jìn)行差分布線，以確保信號完整性。時(shí)鐘走線周圍應(yīng)有完整的地平面，以提供良好的屏蔽。

PCIe信號布線PCIe信號是高速差分信號，對布線質(zhì)量有嚴(yán)格要求。

• 阻抗匹配：PCIe差分信號線的阻抗應(yīng)為100歐姆。在布線時(shí)，應(yīng)使用控制阻抗布線技術(shù)，以確保阻抗一致。

• 等長布線：差分信號對中的兩條線應(yīng)盡量等長，以減少信號的相位差。

• 差分對布線：差分信號對應(yīng)并行布線，并保持固定的間距，以提供良好的共模噪聲抑制能力。

• 避免過孔：盡量減少PCIe信號線上的過孔數(shù)量，因?yàn)檫^孔會引入電容和電感，影響信號完整性。

散熱設(shè)計(jì)PEX8724是一款高性能芯片，在工作時(shí)會產(chǎn)生一定的熱量。因此，必須為芯片提供良好的散熱方案。在設(shè)計(jì)電路板時(shí)，應(yīng)在芯片下方設(shè)置熱傳導(dǎo)過孔，將熱量傳導(dǎo)到內(nèi)層的地平面，并使用散熱片或風(fēng)扇進(jìn)行主動散熱。

EMI/EMC設(shè)計(jì)為了滿足電磁兼容性（EMC）要求，應(yīng)在設(shè)計(jì)中采取一些措施來減少電磁干擾（EMI）。

• 屏蔽：在關(guān)鍵的高速信號走線周圍使用地平面進(jìn)行屏蔽。

• 濾波：在電源輸入端使用電感和電容進(jìn)行濾波，以減少電源噪聲。

• 接地：確保電路板有良好的接地設(shè)計(jì)，所有地平面都應(yīng)連接在一起，以提供低阻抗的接地路徑。

總結(jié)與展望

PEX8724芯片作為一款先進(jìn)的PCI Express交換機(jī)，憑借其卓越的性能、靈活的配置和豐富的功能，在當(dāng)今高速互連領(lǐng)域扮演著重要的角色。它不僅為服務(wù)器、存儲系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供了強(qiáng)大的擴(kuò)展能力，還為工業(yè)自動化和人工智能等新興應(yīng)用提供了可靠的解決方案。

未來，隨著PCIe技術(shù)的不斷演進(jìn)，如PCIe 4.0和PCIe 5.0的普及，對更高帶寬、更低延遲的互連需求將持續(xù)增長。PEX8724芯片的后繼產(chǎn)品將繼續(xù)沿著這一方向發(fā)展，提供更強(qiáng)的性能、更低的功耗和更豐富的功能。例如，未來的PCIe交換芯片可能會集成更多的端口、支持更高的傳輸速率，并引入更智能化的管理功能，以適應(yīng)不斷變化的系統(tǒng)需求。

總的來說，PEX8724是一款功能強(qiáng)大、應(yīng)用廣泛的PCIe交換芯片，它為系統(tǒng)設(shè)計(jì)者提供了構(gòu)建高性能、高可靠性系統(tǒng)的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。通過深入理解其架構(gòu)、引腳、寄存器和應(yīng)用，設(shè)計(jì)者可以充分利用其潛力，開發(fā)出滿足各種復(fù)雜需求的高效解決方案。