嵌入式系統(tǒng)的PCIe時鐘分配

共用時鐘架構(gòu)最大的缺點(diǎn)在于需要為系統(tǒng)中每個PCIe端點(diǎn)分配基準(zhǔn)時鐘。頻率為100MHz或125MHz的時鐘以及PCIe規(guī)范嚴(yán)格的抖動要求使得這一架構(gòu)變得尤其復(fù)雜。對2.5Gbps工作的限制為86ps采樣的一系列樣本的峰-峰相位抖動。而5.0Gbps工作的限制為3.1ps(均方根抖動值)。然而，要在5.0Gbps工作，收發(fā)器首先要在2.5Gbps協(xié)商，如果兩端都可以，再提高到5.0Gbps。這意味著如果系統(tǒng)支持任何5.0Gbps鏈接，則基準(zhǔn)時鐘就必須同時滿足兩者的抖動指標(biāo)。

獨(dú)立的數(shù)據(jù)時鐘架構(gòu)不會受到上述限制，但卻大幅增加了時鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，且在不使用單邊帶信令時不支持SSC。

基準(zhǔn)時鐘抖動的管理規(guī)范是PCIe基本規(guī)范1.1和2.0，而檢驗(yàn)抖動達(dá)標(biāo)的方法詳細(xì)列在PCIe抖動建模修訂版1.0D和PCIe抖動和BER修訂版1.0中。機(jī)電規(guī)范提供了機(jī)械尺寸信息、電信號定義和功能。其中一些，如卡機(jī)電(Card Electromechanical，簡稱CEM)1.1和CEM 2.0規(guī)范也為基準(zhǔn)時鐘、Tx鎖相環(huán)(Phase-Locked Loop，簡稱PLL)、Rx PLL和介質(zhì)提供了抖動預(yù)算。嚴(yán)格來講，CEM規(guī)范只申請了PC和服務(wù)器ATX，以及基于ATX的尺寸。其它已出版的機(jī)電規(guī)范覆蓋了其它尺寸，如用于移動計(jì)算平臺的Mini Card Electromechanical Specification 1.2。

對于大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)，上述這些規(guī)范可以全部或部分用來規(guī)定嵌入式系統(tǒng)PCIe時鐘分配方案提供指南。例如，許多CEM文件規(guī)定了對基準(zhǔn)時鐘分配Host Clock Signal Level(HCSL)協(xié)議的使用。然而，許多嵌入式系統(tǒng)希望使用低電壓正射極耦合邏輯(Low Voltage Positive Emitter Coupled Logic，簡稱LVPECL)或多點(diǎn)低電壓差分信號(Multipoint-Low-Voltage Differential Signaling，簡稱M-LVDS)信令，以實(shí)現(xiàn)時鐘分配網(wǎng)絡(luò)更遠(yuǎn)的距離和/或噪聲容限。

許多嵌入式系統(tǒng)需要在其背板之間分配包括時鐘在內(nèi)的大量高速信號。為解決這些背板上經(jīng)常出現(xiàn)的繁重電氣負(fù)載問題，這些信號需要有非常強(qiáng)大的驅(qū)動器和高邊緣速率。這帶來了干擾和其它信號完整性的危險，尤其是在背板負(fù)載比最差設(shè)計(jì)點(diǎn)的負(fù)載更低時。另一個設(shè)計(jì)上的挑戰(zhàn)在于PCIe詳細(xì)規(guī)定了100MHz或125MHz的基準(zhǔn)時鐘，這是一個很難在高負(fù)載長背板上順利分配的頻率。

除了PCIe規(guī)范嚴(yán)格的抖動限制和需要更長的信號距離，嵌入式系統(tǒng)通常還受到可能通過背板連接器和背板本身的信號量的 限制。當(dāng)定制系統(tǒng)時，確定連接器引腳排列是最關(guān)鍵的任務(wù)之一。

建議的共用時鐘分配方案

由于時鐘頻率和抖動限制，最常見的共用時鐘架構(gòu)設(shè)計(jì)利用點(diǎn)對點(diǎn)差分信號對來分配基準(zhǔn)時鐘，其中一個差分信號對將抵達(dá)系統(tǒng)的每個PCIe端點(diǎn)。如果一張卡上有多個PCIe端點(diǎn)，就可以從背板獲得一個基準(zhǔn)時鐘輸入，并利用零延遲緩沖器(Zero Delay Buffer，簡稱ZDB)提供卡上時鐘分配網(wǎng)絡(luò)。然而，即使這樣，由于PCIe 5.0Gbps運(yùn)行的抖動限制，設(shè)計(jì)起來也是非常困難的。

假設(shè)我們能設(shè)計(jì)出這樣的卡上分配方案，我們?nèi)孕枰峁腜CIe主到系統(tǒng)上每張卡的點(diǎn)對點(diǎn)連接。在嵌入式系統(tǒng)中，這需要在主卡插槽上增加大量連接器引腳，并在背板上增加大量有特殊布線要求的線跡。這還要給主卡插槽插入與其它插槽截然不同的引腳排列。