PCIe系列第一讲、PCIe接口的速度与管脚介绍

学习了一段时间后，决定开始一点点更新PCIe这一系列，虽然学习了一段时间，有些地方可能总结的不好或者有纰漏，还请大家不吝指教，先行谢过！

还需声明的是，接下来所有的设计硬件的照片，是一款xc7z030ffg676-2的ZYNQ开发板，功能很强大。

PCIe的传输速度与链路宽度

PCIe2.0规范于2007年1月5日推出，将PCIe1.0 2.5GT/s的传输速率提高了一倍，每个通道的吞吐率从250MB/s上升到500MB/s，因此2通道的PCIe可支持高达1GB的总吞吐量。

PCIe吞吐量计算方法
吞吐量=传输速率*编码方案

以PCIe2.0x2为例，该系列为2.0版本的PCIe，包含两个物理信道Lane，每个通道的吞吐量为：

5GT/s x 8/10 =4.0Gb/s =4000 Mb/s =500MB/s

所以PCIe2.0x2的吞吐量为：500MB/s x 2 = 1GB/s

分析：
PCIe2.0协议传输速率为5.0GT/s，这样的描述主要说明的是每条PCIe Gen2的lane（SERDES）每秒可以完成5.0Gbit数据传输的特性，即每一条链路上支持每秒5G次传输，每个Lane上传输5Gbit，但是由于PCIe2.0采用的是8b/10b编码方案，多出的2bit并不是对上层有意义的信息。

那么PCIe2.0协议的每一条lane支持5 * 8/10 /8=500MB/s的速率。

PCIe链路的电气接口
PCIe2.0x2接口相对于其他系列，包含两对发送与接收接口：

数据部分包含双向8个接口，而不是8个双向接口：

PETp0与PETn0：发送器差分线对，通道0

PETp1与PETn1：发送器差分线对，通道1

PERp0与PERn0：接收器差分线对，通道0

PERp1与PERn1：接收器差分线对，通道1

故链路宽度为2

A面：

手机视角：

PCB视角：

B面：

手机视角：

PCB视角：

PCIe的其他辅助电气接口
1、Vcc与Vaux（由处理器系统提供）
PCIe设备使用两种电源Vcc和Vaux，额定电压都为3.3V，其中Vcc为主电源，PCIe设备使用的主要逻辑模块由Vcc进行供电，而一些与电源管理相关的寄存器使用使用Vaux进行供电。

在PCIe设备中，一些特殊的寄存器通常使用Vaux进行供电，因为这样的话即使设备的Vcc被移除，这些与电源管理有关的逻辑状态和特殊寄存器的内容也不会丢失。这样可以大大的缩短系统恢复时间和降低系统功耗，因为Vaux在大多数情况下并不会被移除，这样当Vcc恢复后，设备不必恢复使用Vaux供电的逻辑，从而设备可以很快的恢复到正常工作状态。（具体应用在热插拔篇会讲）

2、PERST#（#：低电平有效）

该信号为全局复位信号，由处理器系统提供，处理器系统需要为PCIe插槽和PCIe设备提供该信号，PCIe设备使用该信号复位内部逻辑，当该信号有效时，PCIe设备将对内部逻辑进行复位操作，其中Cold Reset和Warm Reset这两种复位方式与该信号有关。

3、REFCLK+和REFCLK-信号

在一个处理器系统中，通常采用专用逻辑向PCIe插槽提供REFCLK+和REFCLK-信号，如下图所示，其中100Mhz的时钟源由晶振提供，并经过一个“一推多”的差分时钟驱动器生成多个同相位的时钟源，与PCIe插槽一一对应连接。

PCIe插槽参考时钟其频率范围为100Mhz±300ppm，处理器系统需要为每一个PCIe插槽 、MCH、ICH和Switch提供参考时钟。

当PCIe设备作为Add-in卡连接在PCIe插槽时，可以直接使用PCIe插槽提供的REFCLK+和REFCLK-信号，也可以使用独立的参考时钟，只要这个独立的参考时钟满足100Mhz±300ppm的要求即可。

4、WAKE#

当PCIe设备进入休眠状态，主电源已经停止供电时，PCIe设备使用该信号向处理器系统提供唤醒请求，使处理器系统为该PCIe设备提供主电源Vcc。

在PCIe总线中，该信号是可选的，因此使用WAKE#信号唤醒PCIe设备机制也是可选的，此外，使用该机制时，必须使用Vaux进行供电。

WAKE#是一个Open Drain信号，一个处理器的所有PCIe设备可以将WAKE#进行“线与”后，统一发送给处理器的电源控制器。当某个PCIe设备需要唤醒时，该设备先将WAKE#信号拉低，经过一段时间后，系统处理器开始为该设备提供主电源Vcc，并使用PERST#对该设备进行复位操作，再次过程中WAKE#信号需要保持为低电平，当主电源Vcc上电完成之后，PERST#也将置为无效并结束复位，WAKE#信号也随之被置为无效（拉高）。

5、SMCLK和SMDAT

SMCLK与SMDAT信号与SMBUS（System Management Bus，系统管理总线）有关，类似于IIC总线，因为SMBus源自于IIC总线。SMbus总线的最高频率为100Khz，SMBus上的从设备具有超时功能，当SMBus总线上的从设备发现主设备发出的时钟信号保持低电平超过35ms时，将引发从设备的超时复位，当设备需要复位从设备时，可以采用这种超时机制。

SMBus还支持Alert Response机制，当从设备产生一个中断时，并不会立即清除该中断，直到主设备向0b0001100地址发送指令。

6、JTAG信号

Joint Test Action Group，联合测试行为组 PRSNT1#和PRSNT2# PRSNT1#与PRSNT2#与PCIe设备的热插拔有关，在PCIe的Add-In卡中PRSNT1#与PRSNT2#直接相连。

在处理器主板中，PRSNT1#直接接地，PRSNT2#通过一个上拉电阻接为高电平。

当Add-In卡为插入时，PRSNT2#信号由上拉电阻接为高，Add-In卡插入后，主板的PRSNT2#与PRSNT1#接通，此时PRSNT2#信号为低，处理器主板的热插拔控制逻辑捕获这个低电平，得知Add-In卡已经插入，从而触发系统复位软件进行相应处理。当Add-In卡拔出时，PRSNT2#信号变为高，处理器主板捕获这个高电平，得知Add-In卡已经拔出，从而触发系统软件进行相应处理。