優越電源管理與錯誤處理能力有效提升了PCIe 在各種應用中稱職勝任存儲、網絡、主干及I/O 互連技術的可靠表現

作者：Diodes 公司營銷協理Jen Lee

應用廣泛的連接功能

(相關資料圖)

服務器、儲存裝置及網絡市場目前經常使用 PCI Express? (PCIe?) 互連各種裝置，工業自動化、物聯網、消費性裝置及車用電子產品的主干和 I/O 產品應用項目也紛紛正視其優點，擴大采用 PCIe。為了滿足相關領域的用戶期望與生態設計要求，PCI 特殊課題小組 (PCI-SIG) 在延續多重世代的規范里先后引進了各種省電創新項目，以及提高可靠性、可用性、可維護性 (RAS) 的各式功能。

今日的 PCIe 3.0 切換器支持每個通道最高 8GT/s 的數據傳輸速度，結合大帶寬及最新的電源管理和 RAS 功能，滿足行動與嵌入式產品應用項目的需求。

耗電量再降低

由于有更多的攜帶式裝置、行動裝置及物聯網產品應用項目尋求善用 PCIe 屬性，裝置使用期間與待機狀態時的互連功耗自然成為日益關鍵的焦點。PCIe 的可擴充能力，容許設計人員配合產品應用項目，自定義使用中模式的接口帶寬與功耗。Diodes Incorporated 了提供包括 PI7C9X3G606GP、PI7C9X3G808GP 和 PI7C9X3G816GP 在內的 PCIe 3.0 切換器系列，這些產品分別提供 6、8 和 16 個 PCIe 3.0 連接通道。

從 PCIe 3.0 這一代開始，即是由鏈路訓練狀態機 (LTSSM) 訂定各種鏈路狀態，這么一來就能確保裝置使用期間才會耗電，而在不使用之際，耗電量大幅節約，系統效能也不受影響。

L0 是鏈路正常運作時的電源狀態。假如沒有傳輸數據，鏈路即進入 L1 狀態，此時會關閉部分 PCIe 收發器邏輯。此外，只在單一方向傳輸數據的情況下，還有 L0s 這個狀態，專供鏈路上的兩個裝置獨立關閉發射器，從而滿足更細致的需求。

考慮到物理層里還有模擬電路，閑置之際每個通道還會消耗幾毫瓦，另行定義的另一個 L1 子狀態可供關閉模擬組件，確保最大化的節電效果。在 L1.1 的子狀態下，收發器 PLL 將會關閉，而 L1.2 子狀態則是關閉共模電壓保持器，進一步降低功率。為了實現 L1.1 與 L1.2 的低功耗狀態，恢復延遲將會略為延長。表 1 說明了 L1 和 L1.1/L1.2 子狀態的特性及效能。

表1. 比較L1 及L1 子狀態的節電表現與效能。(數據源：https://www.synopsys.com/designware-ip/technical-bulletin/reduce-power-consumption.html)

為了達到這樣的效果，并且確保鏈路在需要之際進入最合適的低功耗狀態以恢復運行，延遲容限報告 (LTR) 可供主機判斷在從任何特定裝置中斷服務前的最長等待時間。至于緩沖區清空/填滿優化 (OBFF) 功能，則允許主機將系統狀態信息發送予裝置，這樣就能關閉主機處理器和內存子系統，維持更長的低功耗狀態，成就最大化的省電表現。

還有其他低功耗狀態可供選用，像是完全關閉收發器的 L2 與關閉收發器及移除電源的 L3，相關狀態設定有助于在裝置閑置期間，確保 PCIe 互連電路的功耗降至最低。這對于物聯網產品應用及筆記本電腦、平板計算機等設備來說尤為重要，有效避免了裝置閑置期間的電池意外耗盡。

Diodes 的 PCIe 切換器 PI7C9X3G606GP、PI7C9X3G808GP 和 PI7C9X3G816GP 支持了前述的低功耗鏈路狀態與子狀態，還能關閉任何空的熱插入埠，直到需要使用它們再行開啟。憑借啟動和連續運行的電源管理方案，它們在所有模式下的功耗都極低。在滿載和 80°C 接面溫度下，PI7C9X3G808GP 的功耗僅為 2.9W。相關裝置的工業溫度范圍為：-40°C 至 85°C。

新推出的切換器產品還特別內建了 PCIe 3.0 時鐘緩沖器，協助設計人員最佳調整產品應用項目的功能和效能。緩沖器支持各種 PCIe 3.0 參考頻率架構，包括通用、獨立參考無擴頻 (SRNS) 和獨立參考擴頻 (SRIS)。

在PCIe 中針對RAS 進行尋址

特定物聯網裝置與機器人當中，具備關鍵任務性質或高度重視安全的產品應用項目，極為講求高度可靠性、可用性與可維修性。此時必須備妥合適機制，確保接口能在不斷變動的內部或外部條件下正常運作，且在數據出錯過后也能恢復，重新正常運行。

在由 PCIe 規范的各種基本及選用功能里，涵蓋了確保端到端數據完整性的基本要求。其中包括用于偵測錯誤的 32 位逐個鏈路循環冗余代碼 (LCRC)，以及允許請求重放的確認機制 (ACK/NACK)。確認逾時證實鏈路伙伴正常運作，就可以在未接收情況下重新訓練鏈路。另有用于偵測端到端數據完整性的交易層 32 位 CRC (ECRC)。此外，針對潛在逾時的失效安全機制，可供確保鏈路伙伴返回到已知狀態，并且重新初始化 LTSSM。

若有需要則可選用先進錯誤報告 (AER) 這項 PCIe 功能，從而擴大錯誤訊號和記錄范圍。錯誤寄存器顯示 PCIe 裝置功能上每個錯誤的狀態、指出錯誤的嚴重性和來源，且能評估可改善及不可改善的錯誤，從而確保系統順利偵測故障，并進入安全狀態。

Diodes 的 PI7C9X3G606GP、PI7C9X3G808GP 及 PI7C9X3G816GP 除了支持各種數據完整性功能，同時也支持 PCIe 規范中的規定，據以處理突然熱拔除相連裝置的情況。移除裝置之際，請求逾時的正常響應較慢，可能造成數據錯誤及任務中斷；偵測到移除裝置之際，只要能快速加以響應，即足以避免意外熱拔除造成的各種錯誤。

切換器同時支持選用 PCIe 的下游埠遏制 (DPC) 功能，專門處理無法改善的錯誤。具備 DPC 功能的端口，一旦偵測到無法改善的錯誤時，會自動禁用一個鏈路，藉由此舉避免損壞數據擴散，同時兼顧裝置的順利移除。移除裝置后，則會清除狀態標志，此時就可以對新連接的裝置重新訓練鏈路。這些切換器同時對于上游/下游埠和序列/平行熱插入類型，支持熱插入。

其他功能則包括支持跨域端點 (CDEP) 模式，其中一個端口被配置為 CDEP，據此連接至另一臺主機而非連接到端點。這樣的設計提供了故障轉移冗余，或是確保兩個處理器之間，乃至于一個處理器與另一個配置為處理器模式的智能轉接器之間，通訊的順利進行。個別裝置均具備四個物理直接內存訪問 (DMA) 信道，提高了主機與端點之間交換數據的效率；此等物理信道可以共享，容許八對位置同時傳輸數據。

結論

PCIe 的普及正在從越數據中心、服務器及個人計算機領域擴展到更廣泛的領域，包括工業、物聯網和消費性裝置市場等。在最新規范里增添更強大的功能，就能將功耗降至最低，同時提高 RAS。支持相關功能的 PCIe 切換器，可供系統設計人員在注重功耗及重要產品應用項目里，充分善用此種互連技術的速度優勢與多功能特質。

關鍵詞： 傳輸數據 數據完整性 關鍵任務 設計人員 鏈路狀態