先進(jìn)的串行通信標(biāo)準(zhǔn)外圍組件互連(PCI)最初用于個人電腦，以克服限制并行總線標(biāo)準(zhǔn)帶寬的挑戰(zhàn)如時鐘和數(shù)據(jù)信號偏移。PCI作為串行互連，還有助于避免實現(xiàn)并行數(shù)據(jù)鏈路所需要的高引腳數(shù)。

后來PCI升級到PCI Extended (PCI-X)，然后到PCI Express (PCIe)，這是一種點對點的全雙工串行計算機擴展總線標(biāo)準(zhǔn)，取代了較早的標(biāo)準(zhǔn)并支持更快和更靈活的方案。

PCIe通過三代發(fā)展演變，現(xiàn)已能滿足更高速度和數(shù)據(jù)吞吐量。第一代PCIe 1.1采用2.5GT/s(千兆傳輸每秒)的原始數(shù)據(jù)傳輸速率和8b/10b的數(shù)據(jù)編碼，支持每通路500MB/s的高效的數(shù)據(jù)吞吐量。PCIe 2.1通過提高傳輸速率到5.0GT/s增加數(shù)據(jù)吞吐量到每通道1GB/s。PCIe 3.0通過將傳輸速率進(jìn)一步提高到8GT/s和采用更高效的128b /130b編碼方案相結(jié)合，達(dá)到每通路2GB/s的數(shù)據(jù)吞吐量。

一條PCIe通路包含發(fā)送和接收兩條不同的通道。總PCIe鏈路數(shù)據(jù)帶寬可通過增加額外的通路擴展。這靈活性已使PCIe普遍用于服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)附加存儲、網(wǎng)絡(luò)交換機、路由器和機頂盒等應(yīng)用中。這些應(yīng)用固有的嚴(yán)格的時序預(yù)算和系統(tǒng)挑戰(zhàn)對PCIe時鐘性能施以嚴(yán)苛的要求。

PCIe指定一個100 MHz的外部參考時鐘(Refclk)，精確度在± 300ppm以內(nèi)，用于協(xié)調(diào)在兩個PCIe設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸。PCIe標(biāo)準(zhǔn)支持三種范圍的時鐘分配方案：公共時鐘、數(shù)據(jù)時鐘和分離時鐘架構(gòu)。所有時鐘方案都要求±300ppm的相同的時鐘精確度。

在公共時鐘架構(gòu)中(圖1)，單個Refclk源被分配到發(fā)送器和接收器。這種時鐘方簡單而普遍用于成本敏感的商業(yè)應(yīng)用。支持?jǐn)U頻時鐘(SSC)可最大限度地減小電磁干擾(EMI)敏感的應(yīng)用中的電磁輻射。

圖1：公共時鐘架構(gòu)。

在數(shù)據(jù)時鐘架構(gòu)中(圖2)，時鐘信號被嵌入并從數(shù)據(jù)信號中恢復(fù)。時鐘恢復(fù)需要額外的硬件，以在接收端從信號流提取時鐘。數(shù)據(jù)時鐘架構(gòu)也支持SSC。

圖2：數(shù)據(jù)時鐘架構(gòu)。

分離時鐘架構(gòu)(圖3)通過在每一PCIe端點使用分離時鐘源，而省去向所有通道發(fā)送時鐘。該標(biāo)準(zhǔn)允許在時鐘間± 600ppm的頻率間隔，以便每一Refclk仍然保持± 300ppm的頻率精確度范圍。因為時鐘是獨立的，接收器的有效抖動是發(fā)送器抖動和接收器鎖相環(huán)(PLL)的和的平方根(RSS)。這種架構(gòu)沒有指定抖動限制。但可直觀地理解為它的抖動預(yù)算比共同時鐘架構(gòu)更嚴(yán)格。

圖3： 分離時鐘架構(gòu)。

以往，若采用± 300ppm的整個允許的頻率幅度，在分離時鐘架構(gòu)中Refclks間允許的有限的頻率間隔已阻礙了SSC的采用。但以不同的發(fā)射器和接收器速率的時鐘是被允許的，在Refclks間的頻率間隔高達(dá)5600ppm。PCI-SIG正著手起草獨立的分離參考時鐘獨立擴頻(SRIS)標(biāo)準(zhǔn)。安森美半導(dǎo)體PCIe時鐘發(fā)生器符合這草擬標(biāo)準(zhǔn)中說明的SRIS Refclk要求。

系統(tǒng)抖動源和影響

圖4顯示一個采用公共時鐘架構(gòu)的PCIe x1鏈路。內(nèi)部鎖相環(huán)(PLL)負(fù)責(zé)復(fù)用Refclk達(dá)25次，以產(chǎn)生所需的更高頻率信號，以通路比特率傳輸數(shù)據(jù)。

圖4：PCIe x1數(shù)據(jù)鏈基本功能塊。

PCIe鏈的整體目標(biāo)是以高的統(tǒng)計成功確定性從發(fā)射器到接收器傳輸大量數(shù)據(jù)。為實現(xiàn)此，接收器必須采樣由位中心或附近的發(fā)射器發(fā)出的數(shù)據(jù)位。在接收器中，時鐘/數(shù)據(jù)恢復(fù)塊(CDR)產(chǎn)生一個時鐘，定期采樣數(shù)據(jù)到鎖存器。各種相位抖動源引起樣本時序波動。由于樣本位置偏離理想位置，誤碼率增加。

系統(tǒng)中的相位抖動源包括參考時鐘抖動、發(fā)射器PLL和接收器CDR獨立的相轉(zhuǎn)移功能、電源噪聲影響，和電纜及PCB空間分散、符號間干擾、串?dāng)_和反射的影響。

總相位抖動以皮秒計算，由各種源產(chǎn)生，引起采樣時鐘和數(shù)據(jù)位中心間的位移。按照數(shù)據(jù)眼圖術(shù)語，誤碼被定義為相位抖動的累積引起數(shù)據(jù)和采樣時鐘間的總相位差超過數(shù)據(jù)眼寬度的一半，否則被稱為單元間隔(UI)。

表1顯示在PCIe 2.1和3.0中數(shù)據(jù)傳輸率更高UI變短，這有效地實行更嚴(yán)格的抖動預(yù)算。

表1：PCIe Gen 1到III數(shù)據(jù)速率和數(shù)據(jù)眼UI的比較。

低抖動設(shè)計

采用穩(wěn)壓電源和校正電路設(shè)計可有效地消除電源噪聲影響。同樣，采用阻抗匹配、高品質(zhì)板材和優(yōu)化布線可設(shè)計出防止信號完整性問題如ISI和串?dāng)_。

參考時鐘抖動是最難抑制的。它的影響不僅成倍增加并直接以發(fā)送信號傳播，而且對接收器信號恢復(fù)產(chǎn)生不利影響。

Refclk包含寬范圍的頻率抖動。接收器只能跟蹤這些頻率的一個波段。有意義的PCIe系統(tǒng)抖動主要是通過時鐘/數(shù)據(jù)恢復(fù)(CDR)模塊的傳輸功能跟蹤抖動分量(不濾波)。對于PCIe Gen I、II和III模型，用于計算抖動的數(shù)學(xué)函數(shù)是不同的。

信號抖動由確定性(Dj)和隨機(Rj)性內(nèi)容組成。Dj由非高斯概率密度函數(shù)有界的振幅控制。它有特定的起因如干擾、數(shù)據(jù)依賴和占空比失真(DCD)，是可預(yù)測的。對于時鐘，Dj在相位噪聲圖中呈現(xiàn)出一定幅度的毛刺。

Rj呈現(xiàn)高斯分布且無邊界。它的存在是由于隨機現(xiàn)象如熱噪聲和工藝變異。在時鐘中，Rj在特定頻率偏移范圍呈現(xiàn)出集成的相位噪聲。總抖動(Tj)通過卷積法從Dj和Rj計算。

n 取決于BER鏈(以太網(wǎng)為10-12)

表2描述在特定頻帶(基于CDR傳輸功能) PCIe Gen I、II和III系統(tǒng)可接受的Tj值，并比較這些要求與安森美半導(dǎo)體的NB3N51034四輸出HCSL/LVDS時鐘生成器性能，NB3N51034適用于Gen I、Gen II 和Gen III應(yīng)用。

表2：PCIe規(guī)格抖動限制和PCIe時鐘性能。

時鐘樹設(shè)計

當(dāng)設(shè)計任何PCIe系統(tǒng)時，考慮到將來的擴展，好的時鐘樹技術(shù)至關(guān)重要。恰當(dāng)?shù)腜CIe時鐘源的最佳選擇、緩沖器和開關(guān)取決于系統(tǒng)中內(nèi)部和外部PCIe I/O(包括以后的擴展)數(shù)量，以及速度和帶寬要求。圖5和圖6說明了常用的時鐘樹架構(gòu)。在計算系統(tǒng)中，CPU和存儲器通過由多個稱作PCIe Root Complex 的PCI Express通路組成的集線器交換數(shù)據(jù)。

圖5：典型的計算系統(tǒng)PCIe時鐘樹。

圖6：典型的嵌入式/通信PCIe時鐘樹。

時鐘樹通常由多個功能部件組成，包括時鐘生成器、扇出緩沖器、零延遲緩沖器和開關(guān)。雖然選擇具有亞皮秒相位抖動性能的同類最佳時鐘源是重要的，以確保符合PCIe規(guī)格的最佳性能，但用于分配多個高精度、低相位噪聲時鐘的緩沖器還必須有低附加相位抖動和低輸出到輸出偏移(skew)。

安森美半導(dǎo)體提供一系列緩沖器適用于PCIe Gen I、Gen II 和Gen III應(yīng)用，典型的附加相位抖動低至0.1ps rms(在12 kHz到20 MHz集成)，最大輸出偏移為100 ps。低電流、多通道PCIe開關(guān)與這些精密的時鐘和緩沖器一起使用，令單個控制器能管理多個PCIe插槽，如圖6所示。

結(jié)語

下一代PCIe提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速度，但對抖動的承受力較低。雖然在PCIe系統(tǒng)內(nèi)有各種干擾源，如電源噪聲和符號間干擾，但參考時鐘是難以根除的主要抖動源。因為PCIe標(biāo)準(zhǔn)支持多種時鐘分配策略，所以仔細(xì)選擇低抖動時鐘源和時鐘樹組建至關(guān)重要，以符合高速單路或多路PCIe系統(tǒng)的抖動預(yù)算。

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