PEX8724芯片技術(shù)概覽與應(yīng)用分析

1. 引言：PCIe交換機(jī)在現(xiàn)代計(jì)算中的核心地位

在當(dāng)今的高性能計(jì)算、數(shù)據(jù)中心、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，PCI Express (PCIe) 總線已成為連接處理器與各種高速外設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)接口。隨著數(shù)據(jù)吞吐量的不斷增長(zhǎng)和設(shè)備數(shù)量的增加，單一的PCIe根端口已無法滿足需求。PCIe交換機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，它作為一種關(guān)鍵的互連設(shè)備，能夠擴(kuò)展PCIe總線，允許多個(gè)PCIe設(shè)備共享一個(gè)或多個(gè)上游端口，并實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，極大地提升了系統(tǒng)的靈活性、可擴(kuò)展性和性能。

PEX8724正是PLX Technology（現(xiàn)已并入Broadcom）公司推出的一款高性能、低延遲的PCIe交換機(jī)芯片。它專為嚴(yán)苛的應(yīng)用環(huán)境而設(shè)計(jì)，通過其獨(dú)特的功能和強(qiáng)大的性能，在服務(wù)器、存儲(chǔ)陣列、通信設(shè)備以及工業(yè)控制等多個(gè)領(lǐng)域扮演著至關(guān)重要的角色。本技術(shù)概覽將深入探討PEX8724的核心技術(shù)細(xì)節(jié)、架構(gòu)設(shè)計(jì)、關(guān)鍵特性及其在不同應(yīng)用場(chǎng)景中的實(shí)際價(jià)值，旨在為工程師和系統(tǒng)設(shè)計(jì)師提供一個(gè)全面的參考。

2. PEX8724核心架構(gòu)與技術(shù)特性

PEX8724是一款符合PCI Express 2.0規(guī)范的24通道、4端口交換機(jī)。雖然現(xiàn)在已有更高級(jí)別的PCIe 3.0/4.0/5.0交換機(jī)，但在許多既有的系統(tǒng)和對(duì)成本敏感的應(yīng)用中，PEX8724仍然是一個(gè)非常受歡迎和可靠的選擇。其架構(gòu)設(shè)計(jì)精妙，旨在提供高性能和高度的靈活性。

端口配置與通道分配

PEX8724提供了4個(gè)可配置的PCIe端口和24條PCIe通道。其最典型的配置是x4/x4/x4/x12，這意味著它可以將一個(gè)上游x12端口擴(kuò)展為三個(gè)下游x4端口，或者將一個(gè)上游x8端口擴(kuò)展為兩個(gè)下游x8端口，甚至可以配置為x16或更靈活的端口組合。這種高度的靈活性允許系統(tǒng)設(shè)計(jì)者根據(jù)具體的應(yīng)用需求，自由地分配和利用可用的PCIe通道。例如，在一個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)中，可以將一個(gè)上游端口連接到主控芯片，下游端口連接到多個(gè)SAS/SATA RAID控制器或NVMe SSD，從而實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)容量的擴(kuò)展。此外，PEX8724還支持熱插拔功能，允許在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)添加或移除設(shè)備，這對(duì)于構(gòu)建高可用性、可維護(hù)的系統(tǒng)至關(guān)重要。

Non-Blocking交換架構(gòu)

PEX8724采用了一種先進(jìn)的非阻塞（non-blocking）交換架構(gòu)。這意味著在芯片內(nèi)部，所有端口之間的數(shù)據(jù)傳輸都可以同時(shí)進(jìn)行，而不會(huì)相互影響。理論上，所有24條通道都可以實(shí)現(xiàn)全雙工、全線速的數(shù)據(jù)交換，總帶寬高達(dá)20 Gbps (Gen2 x4) 或更高，具體取決于配置。這種設(shè)計(jì)消除了傳統(tǒng)共享總線架構(gòu)中的性能瓶頸，確保了多個(gè)設(shè)備在高負(fù)載下也能維持穩(wěn)定的性能。例如，當(dāng)兩個(gè)下游設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，不會(huì)影響上游端口與第三個(gè)下游設(shè)備之間的通信。這種并發(fā)處理能力對(duì)于構(gòu)建多任務(wù)、高吞吐量的系統(tǒng)至關(guān)重要。

高級(jí)可靠性與數(shù)據(jù)完整性功能

在企業(yè)級(jí)應(yīng)用中，數(shù)據(jù)的可靠性和完整性是不可妥協(xié)的。PEX8724集成了一系列高級(jí)功能來確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。其中包括：

• 端到端數(shù)據(jù)完整性檢查（End-to-End Data Integrity Check）：該功能能夠驗(yàn)證數(shù)據(jù)在從發(fā)送端到接收端的整個(gè)傳輸路徑中是否發(fā)生錯(cuò)誤。它通過在數(shù)據(jù)包中添加CRC校驗(yàn)碼來實(shí)現(xiàn)，一旦發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，就會(huì)觸發(fā)重傳機(jī)制，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

• 高級(jí)錯(cuò)誤報(bào)告（Advanced Error Reporting）：PEX8724能夠檢測(cè)并報(bào)告多種類型的PCIe錯(cuò)誤，包括但不限于Link Layer Errors、Data Link Layer Errors以及Protocol Errors。這些詳細(xì)的錯(cuò)誤報(bào)告有助于系統(tǒng)固件或軟件快速定位問題，進(jìn)行故障排除。

• 熱插拔（Hot-Swap）：如前所述，PEX8724支持熱插拔功能，并提供了相應(yīng)的熱插拔控制器（Hot-Swap Controller）。這使得設(shè)備可以在不關(guān)閉系統(tǒng)電源的情況下進(jìn)行更換，極大地提高了系統(tǒng)的可用性和維護(hù)效率。

3. PEX8724性能優(yōu)勢(shì)與低延遲特性

低延遲交換是PEX8724的另一大賣點(diǎn)。在許多高性能計(jì)算和實(shí)時(shí)應(yīng)用中，如金融交易、工業(yè)自動(dòng)化和網(wǎng)絡(luò)加速，微秒級(jí)的延遲都可能產(chǎn)生顯著影響。PEX8724的設(shè)計(jì)目標(biāo)之一就是將數(shù)據(jù)在交換機(jī)內(nèi)部的傳輸延遲降至最低。

數(shù)據(jù)包處理流水線

PEX8724內(nèi)部采用高效的數(shù)據(jù)包處理流水線（packet processing pipeline）。當(dāng)一個(gè)PCIe數(shù)據(jù)包進(jìn)入交換機(jī)時(shí)，它會(huì)經(jīng)過一系列優(yōu)化的步驟，包括解析頭部、查找路由表、修改地址以及重新打包等。這個(gè)過程被設(shè)計(jì)得盡可能并行化，減少了等待時(shí)間。此外，其內(nèi)部的**緩存（buffer）**設(shè)計(jì)也經(jīng)過精心優(yōu)化，能夠高效地存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，避免由于緩存溢出而導(dǎo)致的性能下降。

QoS (Quality of Service) 支持

為了進(jìn)一步優(yōu)化性能和滿足不同應(yīng)用的需求，PEX8724提供了QoS（服務(wù)質(zhì)量）功能。通過在PCIe數(shù)據(jù)包的頭部設(shè)置流量類別（Traffic Class），系統(tǒng)可以對(duì)不同類型的數(shù)據(jù)流進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序。例如，可以將實(shí)時(shí)性要求高的數(shù)據(jù)（如視頻流或控制指令）設(shè)置為高優(yōu)先級(jí)，而將批量傳輸?shù)臄?shù)據(jù)（如文件備份）設(shè)置為低優(yōu)先級(jí)。PEX8724的內(nèi)部調(diào)度器會(huì)根據(jù)這些優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先處理高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)包，從而確保關(guān)鍵應(yīng)用的性能不受影響。

鏈路聚合（Link Aggregation）

在某些需要更高帶寬的應(yīng)用中，PEX8724支持將多個(gè)下游端口的帶寬聚合起來。例如，可以將兩個(gè)x4端口聚合為一個(gè)邏輯上的x8端口，從而為某個(gè)特定的設(shè)備提供更高的帶寬。這種功能對(duì)于連接需要超高帶寬的設(shè)備，如高性能GPU或FPGA，非常有用。

4. PEX8724在不同應(yīng)用場(chǎng)景中的深入分析

PEX8724的靈活性和高性能使其成為多種復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理想選擇。以下是其幾個(gè)典型的應(yīng)用場(chǎng)景：

服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心

在服務(wù)器主板設(shè)計(jì)中，PEX8724常被用作PCIe擴(kuò)展器。現(xiàn)代服務(wù)器通常需要連接大量的網(wǎng)絡(luò)接口卡（NIC）、固態(tài)硬盤（SSD）、GPU加速卡和HBA卡等。服務(wù)器的CPU通常只提供有限的PCIe通道。通過在主板上集成PEX8724，可以有效地將CPU的PCIe根端口擴(kuò)展為多個(gè)可用的插槽，從而支持更多的設(shè)備。例如，一個(gè)CPU的x16端口可以連接到PEX8724，而PEX8724則可以擴(kuò)展出多個(gè)x4或x8插槽，用于連接多塊高性能NVMe SSD或100G網(wǎng)絡(luò)卡。這種設(shè)計(jì)不僅提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，還能通過其內(nèi)部的交換功能，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的直接通信，減少CPU的負(fù)擔(dān)。

存儲(chǔ)系統(tǒng)

在存儲(chǔ)陣列或**JBOD（Just a Bunch of Disks）**系統(tǒng)中，PEX8724發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。它能夠?qū)⒁粋€(gè)上游的PCIe端口（通常連接到RAID控制器或SAS/SATA擴(kuò)展卡）擴(kuò)展為多個(gè)下游端口，每個(gè)端口再連接到一個(gè)或多個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備（如SAS、SATA或NVMe SSD）。通過這種方式，可以大大增加存儲(chǔ)系統(tǒng)的容量，并允許數(shù)據(jù)在不同設(shè)備之間進(jìn)行高效傳輸。例如，在NVMe over Fabrics（NVMe-oF）存儲(chǔ)系統(tǒng)中，PEX8724可以作為后端交換機(jī)，將多個(gè)NVMe SSD連接到網(wǎng)絡(luò)接口卡，實(shí)現(xiàn)超低延遲的遠(yuǎn)程存儲(chǔ)訪問。

工業(yè)自動(dòng)化和嵌入式系統(tǒng)

在工業(yè)控制和嵌入式應(yīng)用中，PEX8724常用于將主控CPU連接到多個(gè)不同的功能模塊，如圖像采集卡、運(yùn)動(dòng)控制卡、數(shù)據(jù)采集卡等。這些應(yīng)用通常需要穩(wěn)定的實(shí)時(shí)性能和高可靠性。PEX8724的低延遲、高級(jí)錯(cuò)誤報(bào)告和熱插拔功能使其成為這些系統(tǒng)的理想選擇。例如，在機(jī)器視覺系統(tǒng)中，PEX8724可以將高速圖像采集卡和圖像處理GPU連接到主控CPU，確保圖像數(shù)據(jù)能夠以極高的吞吐量和極低的延遲進(jìn)行傳輸和處理。

通信和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備

在通信設(shè)備，如路由器、交換機(jī)或基站中，PEX8724可以用于連接主控處理器與各種網(wǎng)絡(luò)處理單元（NPU）、加速卡或高速網(wǎng)絡(luò)接口。在這些應(yīng)用中，高帶寬和低延遲是核心要求。PEX8724的非阻塞架構(gòu)和QoS功能能夠確保不同類型的數(shù)據(jù)流（如控制流和數(shù)據(jù)流）得到適當(dāng)?shù)膬?yōu)先級(jí)處理，從而保證網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的質(zhì)量。

5. PEX8724設(shè)計(jì)考量與系統(tǒng)集成

將PEX8724集成到系統(tǒng)中需要仔細(xì)考慮多個(gè)方面，以確保其性能得到充分發(fā)揮。

電源設(shè)計(jì)

PEX8724是一款高性能芯片，需要穩(wěn)定的電源供應(yīng)。設(shè)計(jì)師需要為其提供干凈、低噪聲的電源，并確保電源軌的電流容量足夠。此外，散熱設(shè)計(jì)也至關(guān)重要，尤其是在高負(fù)載和高溫環(huán)境下。通常需要為芯片配備散熱片或風(fēng)扇，以確保其工作在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)。

PCB設(shè)計(jì)與信號(hào)完整性

由于PCIe信號(hào)是高速差分信號(hào)，印刷電路板（PCB）設(shè)計(jì)對(duì)信號(hào)完整性（Signal Integrity, SI）至關(guān)重要。需要遵循嚴(yán)格的設(shè)計(jì)規(guī)則，包括：

• 差分對(duì)走線：確保差分對(duì)的走線長(zhǎng)度匹配，并保持恒定的阻抗（通常為100歐姆）。

• 層疊設(shè)計(jì)：采用多層PCB，并合理規(guī)劃地平面和電源平面，以減少串?dāng)_和電磁干擾（EMI）。

• 過孔處理：盡量減少高速信號(hào)線上的過孔，如果必須使用，應(yīng)采用背鉆技術(shù)（back-drilling），以減少過孔殘樁（stub）對(duì)信號(hào)反射的影響。

軟件與固件支持

PEX8724的配置通常通過SMBus或I2C接口進(jìn)行。系統(tǒng)固件（如BIOS或UEFI）需要正確地初始化和配置交換機(jī)，包括設(shè)置端口分配、鏈路速度以及錯(cuò)誤報(bào)告機(jī)制等。此外，操作系統(tǒng)中的PCIe驅(qū)動(dòng)程序也需要能夠正確識(shí)別和管理交換機(jī)及其下游設(shè)備。

軟件工具與開發(fā)環(huán)境

PLX（Broadcom）通常提供了一套完整的軟件開發(fā)工具包（SDK），包括配置工具、診斷工具和示例代碼，以幫助工程師進(jìn)行系統(tǒng)集成和故障排除。這些工具可以幫助設(shè)計(jì)師快速驗(yàn)證端口配置、監(jiān)控鏈路狀態(tài)、查看錯(cuò)誤日志，并對(duì)交換機(jī)的各種高級(jí)功能進(jìn)行配置。

6. PEX8724與PCIe 3.0/4.0交換機(jī)的比較

盡管PEX8724是一款基于PCIe 2.0的優(yōu)秀產(chǎn)品，但隨著技術(shù)的進(jìn)步，PCIe 3.0和PCIe 4.0交換機(jī)已成為主流。以下是對(duì)它們之間的一些關(guān)鍵比較：

• 帶寬：PCIe 2.0的每條通道帶寬為5 GT/s，編碼效率為8b/10b，實(shí)際帶寬為4 Gbps。而PCIe 3.0和PCIe 4.0則分別將每通道帶寬提升到8 GT/s和16 GT/s，并采用更高效的128b/130b編碼，實(shí)際帶寬分別達(dá)到8 Gbps和16 Gbps。這意味著新一代交換機(jī)在相同通道數(shù)下，能提供數(shù)倍的吞吐量。

• 功耗與成本：通常，新一代交換機(jī)由于其更復(fù)雜的架構(gòu)和更高的性能，功耗會(huì)更高，成本也相對(duì)較高。PEX8724在許多對(duì)成本和功耗敏感的應(yīng)用中仍然是一個(gè)非常有競(jìng)爭(zhēng)力的選擇。

• 兼容性：新一代PCIe規(guī)范是向后兼容的，因此PCIe 3.0/4.0交換機(jī)通?？梢耘cPCIe 2.0設(shè)備進(jìn)行通信，但鏈路速度會(huì)降級(jí)到PCIe 2.0。

7. 結(jié)論與展望

PEX8724作為一款成熟、穩(wěn)定、高性能的PCIe 2.0交換機(jī)，在過去和現(xiàn)在都為許多關(guān)鍵應(yīng)用提供了強(qiáng)大的支持。其靈活的端口配置、非阻塞架構(gòu)、低延遲特性以及豐富的可靠性功能，使其在服務(wù)器、存儲(chǔ)、工業(yè)控制和通信等多個(gè)領(lǐng)域贏得了廣泛認(rèn)可。

盡管更先進(jìn)的PCIe 3.0/4.0/5.0交換機(jī)正在逐步取代它，但在一些成本敏感、性能需求相對(duì)適中的應(yīng)用中，PEX8724仍然是一個(gè)優(yōu)秀且可靠的選擇。它的成功證明了PLX（Broadcom）在PCIe交換機(jī)領(lǐng)域深厚的技術(shù)積累。理解PEX8724的架構(gòu)和特性，不僅有助于我們更好地利用這款芯片進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，也為我們理解更復(fù)雜的現(xiàn)代PCIe交換機(jī)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。隨著未來計(jì)算和數(shù)據(jù)處理需求的不斷增長(zhǎng)，PCIe交換機(jī)作為互連的基石，其重要性將繼續(xù)提升，而PEX8724的歷史地位也將在技術(shù)演進(jìn)中被銘記。

在未來的技術(shù)發(fā)展中，我們可以預(yù)見PCIe交換機(jī)將繼續(xù)向更高的帶寬、更低的延遲、更強(qiáng)的可配置性以及更復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)展。例如，PCIe 6.0及更高版本將采用PAM4編碼，進(jìn)一步提升每通道的帶寬，而CXL（Compute Express Link）等新興協(xié)議也將與PCIe生態(tài)系統(tǒng)緊密結(jié)合，共同推動(dòng)數(shù)據(jù)中心和高性能計(jì)算的革新。PEX8724作為這一宏大技術(shù)演進(jìn)中的一個(gè)重要節(jié)點(diǎn)，其成功經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)理念將持續(xù)影響著未來的創(chuàng)新。