Che cosa sono PCI e PCIe?
Concetto di PCI
PCI (Peripheral Component Interconnect) è un sistema di interconnessione standard di bus parallelo locale originariamente progettato per collegare unità di elaborazione centrale (CPU)) a dispositivi esterni, introdotto da Intel nel 1991, il PCI è stato sviluppato dal PCI-SIG negli Stati Uniti.
Le informazioni più autorevoli sullo standard PCI sono quelle contenute nel documento File PCI Spec emesso da questa organizzazione. Se siete interessati, potete provare a cercare il file PCI Spec da leggere. È stato aggiornato a PCIe 7.0 versione0.5.
Il processo di configurazione di PCIce
Il processo comprende generalmente:
- Indirizzamento del PCI
- Spazio di configurazione: un dispositivo PCI ha tre spazi di indirizzamento.
- Porte IO
- Memoria del dispositivo
| Configurazione PCIe | Aspetto | Dettagli |
| Indirizzamento PCI | – | L'indirizzamento dello spazio di configurazione PCI fa parte del processo. Inclusione generale: Include generalmente questo aspetto di indirizzamento. |
| Spazi di indirizzamento dei dispositivi PCI | Numero | Un dispositivo PCI dispone di tre spazi di indirizzamento. |
| Spazi di indirizzamento dei dispositivi PCI | Tipi di spazio | I tipi sono porte IO e memoria del dispositivo. |
| Layout del sistema PCI | Avvio del sistema | L'accesso e i registri dello spazio di configurazione PCI comprendono avvio del sistema, durante il quale il firmware Le periferiche PCI effettuano transazioni di configurazione. |
| Layout del sistema PCI | Transazioni | Durante l'avvio del sistema, tra il firmware e le periferiche PCI. |
| Layout del sistema PCI | Registri di I/O | - I registri di I/O hanno un effetto collaterale. - Non devono essere memorizzati nella cache dalla CPU. |
| Strutture dati PCI | – | pci_dev, pci_device_id, pci_driver, pci_register_driver, pci_unregister_driver, pci_enable_device |
| Fonte di maggiori informazioni | – | Controllare il Sito web ufficiale di PCI-SIG. |
Lo sviluppo del PCI (PCI o PCIe?)
Dal 1992, l'interfaccia PCI è stata sottoposta a importanti modifiche per soddisfare le esigenze sempre crescenti dell'informatica. PCIe spostata su un sistema seriale punto a punto architetturaaumentando così la velocità di trasferimento e la flessibilità dei sistemi.
- PCI 1.0: Questa è la prima versione, che permette una frequenza operativa di 33 MHz e la larghezza di banda di 133 MB/s.
- PCI 2.0: Introduzione della frequenza operativa di 66 MHz, raddoppio dell'ampiezza di banda a 264 MB/s.
- PCI-X: IBM, HP e Compaq sono state responsabili dell'introduzione della fase successiva di questa tecnologia, ovvero PCI-X, che ha permesso di ottenere ulteriori miglioramenti delle prestazioni grazie a Larghezze a 64 bit e frequenze fino a 133 MHz.
| Tempo | Versione | velocità di segnalazione dei dati |
| 2003 | PCIe 1.0 | 2,5 Gbps |
| 2007 | PCIe 2.0 | 5,0 Gbps |
| 2010 | PCIe 3.0 | 8,0 Gbps |
| 2017 | PCIe 4.0 | 16,0 Gbps |
| … | … | … |
| 2024-2025 | PCIe 7.0 | 512 GB/s (la larghezza di banda totale a due vie, basata sulla configurazione PCIe 7.0 x16) |
PCI nella progettazione di layout di PCB
Perché il layout PCI è necessario?
Il layout dell'interfaccia PCI influenza direttamente le prestazioni e la stabilità del sistema, il layout di un'interfaccia PCI è una delle questioni più importanti nel design di un PCB.
Prima di procedere con il layout di questa interfaccia, è necessario stabilire in anticipo due cose:
- Determinare la velocità massima di trasmissione dei dati del PCI interfaccia.
(vedi sopra Tabella 2 Lo sviluppo di PCIe)
- Definire lo schema di codifica utilizzato dal PCI interfaccia.
Lo schema di codifica dell'interfaccia PCI ha implicazioni su una pletora di tecniche, tra cui, a titolo esemplificativo, le seguenti segnalazione avanzata, integrità dei dati, equalizzazione trasmissione-ricezione, PLL miglioramento, recupero dei dati variabili nel tempo e scalabilità generale.
| Versione PCI | Sistema di codifica | GT/s | MB/s | Per saperne di più |
| PCI 1.0 | 8b/10b | – | – | Versione iniziale, bus parallelo |
| PCI 2.0 | 8b/10b | – | – | Aumentare la larghezza di banda, mantenere il codice originale |
| PCI 3.0 | 8b/10b | – | – | Supporto aggiunto per tassi più elevati |
| PCI Express 1.0 (PCIe 1.0) | 8b/10b | 2.5 | 250 | Comunicazione seriale per la prima volta |
| PCI Express 2.0 (PCIe 2.0) | 8b/10b | 5 | 500 | velocità di trasmissione X 2 |
| PCI Express 3.0 (PCIe 3.0) | 128b/130b | 8 | 985 | Maggiore efficienza di codifica e raddoppio della larghezza di banda |
| PCI Express 4.0 (PCIe 4.0) | 128b/130b | 16 | 1970 | Aumentare ulteriormente la larghezza di banda |
| PCI Express 5.0 (PCIe 5.0) | 128b/130b | 32 | 3940 | Infiltrazione X 2 |
| PCI Express 6.0 (PCIe 6.0) | PAM4 | 64 | 7880 | La codifica cambia e la velocità raddoppia nuovamente |
Fasi della progettazione del layout PCI
Fase 1: individuazione degli slot
Il layout fisico dell'interfaccia del PCI sarebbe iniziare individuando gli slot.
Idealmente, questi dovrebbero essere il più vicino possibile alla posizione del controller del PCI sulla scheda madre per ridurre il percorso di trasmissione del segnale. Tale disposizione non solo riduce l'attenuazione del segnale, ma riduce anche il rischio di EMI.
In pratica, poiché vi è una limitazione di area e altre componente Se si tratta di requisiti di layout, a volte è difficile ottenere una situazione ideale, per cui il progettista deve contestualizzarli.
Gli elementi più essenziali dell'interfaccia PCI sono le coppie differenziali di linee di segnale.
Di seguito sono riportati alcuni principi di cablaggio:
- Controllo della lunghezza : Lunghezza dell'allineamento dal bordo del dito dorato al pin dello switch PCI-E mosto non essere più di 4 pollici, circa 100 mm. Questo limiterà la lunghezza per ridurre al minimo l'attenuazione e la distorsione del segnale.
- Spaziatura delle coppie differenziali: La distanza tra le coppie differenziali deve essere mantenuta uniforme. In genere, è di circa 7 mils. Questa spaziatura uniforme mantiene l'equilibrio del segnale e riduce la diafonia.
- Corrispondenza della lunghezza: Non più di un Lunghezza 5 mil differenza tra due tracce della stessa coppia. La corrispondenza precisa delle lunghezze è necessaria per mantenere l'integrità del segnale, soprattutto alle alte velocità di trasmissione.
- Serpeggiare: Quando è necessario un adattamento alla lunghezza, si può ricorrere allo snaking. Con questo metodo, si ottiene una corrispondenza accurata con una lunghezza maggiore del cavo. Tuttavia, le dimensioni del serpente devono essere controllate in modo da non compromettere la qualità del segnale.
Inoltre, speciali 25/14 design del foro per PCI-E coppie differenzialie i due fori devono essere progettati in modo simmetrico. Ciò contribuisce a ridurre in modo significativo la distorsione e la riflessione dei segnali.
Fase 2: Progettazione a terra
Durante la progettazione del piano di massa per l'interfaccia PCI di un PCB, il progettista deve tenere conto di diversi fattori, tra cui, a titolo esemplificativo e non esaustivo, i seguenti:
- Integrità del segnale
- Distribuzione di energia
- Gestione termica
- EMI protezione
Nell'area dell'interfaccia PCI, si dovrebbe considerare di organizzare tanto terreno viapossibile. Di solito si consiglia di aggiungere la via di terra in alcuni punti dell'area BGA e di elaborare i segnali differenziali per avvolgere la terra.
La spaziatura dei fori nel terreno deve essere inferiore a 300 milioni. Questi vialetti di terra non solo contribuiscono a formare una schermatura efficace, ma migliorano anche in modo significativo la qualità del segnale.
Caso specifico di progettazione
I dati riportati di seguito sono solo riferimenti approssimativi, e la progettazione effettiva deve basarsi su Specifiche elettriche e requisiti di collaudo rigorosi per determinare i parametri esatti.
Di seguito un breve elenco, per dettagli più specifici, si prega di consultare ELEteam di ingegneri professionisti.<Check This>
| Parametri | PCI-E 5.0 (solo per riferimento) |
| Impedenza della traccia | 85 - 100 Ω |
| Massima differenza di ritardo all'interno della coppia differenziale | ＜0,1 ps/mm |
| Requisiti di lunghezza tra le coppie differenziali | ＜5 mil (circa 0,127 mm) |
| Lunghezza della traccia | Determinato in base al progetto specifico |
| Requisiti di capacità | Determinato in base al progetto specifico |
| Spaziatura tra le coppie differenziali | 8-10 mil (circa 0,2 - 0,254 mm) |
| Differenza massima di ritardo all'interno della coppia differenziale (RefCLK) | ＜0,005 ps/mm |
| Impedenza di traccia (RefCLK) | 90 - 95 Ω |
| Distanza tra PCL - E e altri segnali | Almeno 15 mil (circa 0,381 mm) |
| Il numero di vias consentito per ogni segnale | Un massimo di 3 per coppia differenziale |
Attenzione all'integrità del segnale e dell'alimentazione
I. Integrità del segnale
- Corrispondenza di impedenza
- Per le interfacce PCI ad alta velocità, l'impedenza è di solito 50Ω. La tolleranza della larghezza della linea deve essere controllata entro 5 – 10%.
- Controllo della diafonia
- Regola della spaziatura: La spaziatura delle linee di segnale segue il valore "Regola dei 5W" (la spaziatura è 5 volte la larghezza della linea).
- Utilizzare coppie differenziali: Le linee di segnale a coppia differenziale hanno proprietà naturali di cancellazione della diafonia e sono particolarmente adatte alla trasmissione di segnali ad alta velocità.
- Struttura a strati: Posizionamento dello strato di segnale tra gli strati di potenza e di terra può ridurre la diafonia.
- Altri punti
- Mantenere la linea di segnale chiudere al piano di riferimento può migliorare la qualità del segnale.
- La differenza di lunghezza delle coppie differenziali è di solito controllata all'interno di 5 mils.
- Speciale 25/14 via design e il posizionamento simmetrico può ridurre la distorsione e la riflessione del segnale.
II. Integrità dell'alimentazione
- Condensatore di disaccoppiamento Posizionamento
- A 0,1μF Il condensatore di disaccoppiamento ad alta frequenza è posizionato vicino ai pin di alimentazione (VCC18GND, VCC33GND) del chip PCIe. Più vicino è, meglio è è quello di ridurre l'alta frequenza rumore dell'alimentatore.
- Progettazione del piano di potenza
- Numero di strati: Le tipiche schede PCIe utilizzano un Pila a 4 o 6 strati (due strati per i segnali e due strati per l'alimentazione).
- Pregiudizio: Impostare la polarizzazione del livello di potenza in base ai requisiti del dispositivo. Strati di segnale e di potenza alternati può ridurre la diafonia e le interferenze elettromagnetiche.
- Via Design
- Utilizzo vias grandi, vias doppie e circuiti doppi per ridurre la caduta di tensione e migliorare la stabilità.
Applicazioni PCI e PCIe
Scheda madre per server PCB
Alta densità di integrazione
- Le schede madri per server richiedono diversi PCIe slot per l'espansione di diversi dispositivi.
Ridondanza e affidabilità
- Supporto di hot-swap durante il funzionamento
- Utilizzo del rilevamento e della correzione degli errori
- Impiegare una configurazione ridondante, come doppia potenza.
Supporto PCIe 4.0+
- Per superare il problema dell'attenuazione del segnale e del rumore.
Gestione termica
- Buono progettazione termica per la stabilità con dispositivi PCIe ad alte prestazioni come le GPU.
Scheda di controllo industriale PCB
Design anti-interferenza
- I connettori schermati ad alta densità evitano le interferenze.
- L'inserimento verticale della scheda adattatore contribuisce a una buona ventilazione, riducendo le interferenze.
- Anti-jamming sulle schede di acquisizione dati migliorato con 5000 V rms isolamento.
Progettazione dell'affidabilità
- CPU a basso consumocome il Pentium MMX-266, con dissipatore di calore per la resistenza alle alte temperature.
- Disco elettronico DiskOnChip per l'antivibrazione.
- Hot swap, alimentazione ridondante per un'elevata disponibilità.
- Schede adattatore sostituibili a caldo per una facile manutenzione.
Scheda di sistema integrata PCB
Protocollo PCI semplificato
- Implementazione di uno stack di protocollo semplificato in FPGA
- Ad esempio, i comandi di base del bus.
Ottimizzazione della macchina a stati
- Semplificazione delle macchine a stati per un migliore utilizzo delle risorse e una risposta più rapida.
Ottimizzazione del consumo di energia
- Utilizzare una gestione intelligente dell'alimentazione
- Ad esempio, gli stati di inattività (a basso consumo) per prolungare la durata della batteria.
Modularità:
- Dividere l'interfaccia PCI in moduli separati.
- Ad esempio, i decodificatori di indirizzi.
Metriche di prestazione che potrebbero interessarvi
Nella progettazione di PCB con interfaccia PCI, i clienti sono maggiormente interessati agli indicatori di prestazione, che comprendono principalmente Larghezza di banda, latenza e consumo energetico; compatibilità, durata di vita, costi è anche un indicatore importante.
Larghezza di banda
La larghezza di banda è la misura di base della capacità di trasferimento di un'interfaccia PCI. Tuttavia, nelle applicazioni reali, ci sono vari fattori che rendono la larghezza di banda effettiva sempre un compromesso.
Ad esempio, ipotizzando l'overhead di Codifica 8b/10bla larghezza di banda effettiva in un sistema che lavora su PCIe 3.0 è di circa 80% della larghezza di banda originale.
Inoltre, ci sono TLP Overhead, meccanismi Ack/Nak e controllo di flusso che possono influenzare la larghezza di banda effettiva.
| Versione | Larghezza di banda |
| PCIe 3.0 | 8 GT/s |
| PCIe 4.0 | 16 GT/s |
| PCIe 5.0 | 32 GT/s |
Latenza
Nuove funzionalità introdotte, come il Tecnologia di canale multilivello PAM-4 di PCIe 5.0 - pur aumentando la larghezza di banda, purtroppo introducono anche altre sfide di integrità del segnale in grado di creare una maggiore latenza.
Consumo di energia
- L'altro fattore non trascurabile nella progettazione delle interfacce PCI, in particolare per i dispositivi mobili e per incorporato sistemiè il consumo di energia.
- Su questo secondo aspetto, il PCIe 6.0 standard migliora molto utilizzando nuovi e avanzati stati di potenza come L0p che regola dinamicamente il consumo energetico in base ai requisiti di larghezza di banda.
- Oltre a queste tre metriche chiave, altri parametri di performance che possono interessare i clienti includono IOPS, profondità della coda e tassi di errore.
Compatibilità
Slot Compatibilità
- Gli slot PCIe x16 possono supportare schede PCIe di formato ridotto, come ad esempio PCIe x8, PCIe x4 e PCIe x1.
Protocollo Compatibilità
- Le versioni più recenti del protocollo PCIe sono dotate di nuove funzionalità, mentre ancora compatibile con le generazioni precedenti.
Compatibilità di potenza
- Slot PCIe più recenti sono in grado di fornire energia adeguata alle vecchie generazioni. Schede PCIe.
Limitazioni di compatibilità
Le sfide della gestione dell'alimentazione
- Prestazioni elevate PCIe Dispositivi 4.0 o 5.0 possono richiedere sistemi di gestione dell'energia avanzati, che potrebbero essere impossibili su piattaforme più vecchie.
Implementazione della funzione
- Con l'evoluzione dello standard PCIe, alcune delle nuove funzionalità, come lo stato di basso consumo L0s in PCIe 4.0, sono state eliminate, non sono implementati sui dispositivi più vecchi, incidendo così sull'efficienza energetica complessiva del sistema.
Affidabilità e durata di vita
Per garantire l'affidabilità a lungo termine dell'interfaccia PCI, è necessario considerare una serie di aree, tra cui selezione dei materiali, gestione termica, integrità del segnalee altro ancora.
Costo
Sono diversi i fattori che possono incidere sul costo di produzione di un prodotto. PCIe qui ne mostrerò brevemente alcuni:
Conclusione
Il PCI in un PCB è complesso, ma è una caratteristica essenziale in produzione di circuiti stampati. Il PCI convenzionale o il PCIe evoluto trovano ampio utilizzo nella progettazione di circuiti stampati. Un'interfaccia PCI ben strutturata, che tenga conto dell'integrità del segnale e dell'alimentazione, è la base per la creazione di un'interfaccia PCI. prestazioni superiori. L'implementazione di PCI varia in diversi tipi di PCBQuindi, i progettisti devono conoscere il metriche di performance rilevanti. Una corretta progettazione del PCI è alla base di un buon trasferimento di dati e di un buon funzionamento dei vari componenti di un sistema.
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