PCIe速率解析与硬件设计

1.PCIE相关速率说明

PCIE对应的总线速率：

PCIE7.0：128Gbps（已正式发布其规范），

PCIE6.0：64Gbps，

PCIE5.0：32Gbps，

PCIE4.0：16Gbps，

PCIE4.0：16Gbps，

PCIE3.0 ：8Gbps ，

PCIE2.0 ：5Gbps ，

PCIE1.0：2.5Gbps。

由于应用领域不同其所需总线速率也不同，目前接触到的设计，pcie 3.0局多，主要是CPU与交换机之间通信，或CPU与FPGA之间的通信。

2.芯片所支持的pcie 协议及管脚确认

2.1CPU或AI处理器的pcie硬件管脚

对于CPU或AI处理器手册中会明确描述所支持的pcie 接口及管脚，如RK3588中对pcie接口的描述见下图所示，因此对于CPU或AI处理器的pcie硬件设计时只需看此数据手册即可，比较简单；

2.2xilinx 7系列FPGA PCIE硬核资源查看

对于FPGA来说pcie所用的是GT资源，若使用PCIe硬核需要使用其硬核对用的管脚才可以，否则就要专门使用软核进行开发，有硬核资源的情况下建议优先使用硬核资源，如何查看FPGA对应的pcie硬核管脚需要按照以下步骤进行。

1、对于7系列FPGA来说先查看手册PG023，

2、确定位置后再根据手册UG476查看对应的硬件引脚，即可确定PCIe的硬核管脚：

汇总：A7/K7/Z7仅支持1个PCIe2.0（5Gbps）硬核，V7最大支持3个PCIe 3.0（8Gbps）硬核。对应X4的在前一BANK。PCIE lane序号和GTX标号需要确认清楚。

注意：使用不同系列的FPGA请查看对应的手册，能选择用硬核建议使用硬核资源。

3.PCIE交流耦合电容的选择

PCIE协议推荐的耦合电容范围如下：

对于pcie1.0和pcie2.0常用的交流耦合电容选用0.1uf，对于pcie3.0常用的交流耦合电容选用0.22uf，正常来说速率越高需要的耦合电容容值越小才对，但为什么这里会是反的，主要是考虑PCIE的执行编码方式8b/10b，此编码方式是为了DC平衡，综合考虑才选择的0.22uf。

另外，较小的封装尺寸可减小寄生效应和引入的阻抗不连续，对于PCIe 4.0和 PCIe 5.0，0201尺寸的电容通常比 0402 尺寸更受推荐，如 Intel 的 PCIe 4.0 耦合电容通用设计规则中就提到虽 0402 尺寸是可以接受的，但 0201 尺寸电容更推荐使用。

4.PCIE协议

PCIe拓扑结构如下图所示：

4.1常用术语

Link：两设备间通过1对或多对差分线连接，形成的数据通道。

TLP ：“事务包（TLP，Transaction Layer Packet）”；

4.2协议分层

三层：

TransactionLayer（事务层）：定义包的内容；作用：“决定传什么？传给谁”

Data Link Layer（数据链路层）：传输包；作用：“确保传对，传完整”；

Physical Layer（物理层）：信号编码，电信号传递；作用“把数据变为电信号/光信号”；

包在各层次封装的图示：

4.3协议分层协作流程：

为更直观理解三层如何配合，以 “CPU 读取 PCIe SSD 中的文件” 为例，看数据的完整传输路径：

1、事务层（SSD 端）：

SSD 接收 CPU 的 “读数据请求”，事务层将 “要读取的文件数据”+“CPU 的目标内存地址”+“读指令” 打包成 TLP，传给数据链路层。

2、数据链路层（SSD 端）：

给 TLP 添加 “链路控制头” 和 “CRC 校验码”，打包成 DLLP，同时记录 “已发送的 DLLP”（用于重传），传给物理层。

3、物理层（SSD 端）：

将 DLLP 的二进制数据编码成 “高低电平信号”，通过 PCIe x4 通道（假设 SSD 用 x4）的铜线传输到主板。

4、物理层（主板 / CPU 端）：

接收电信号，解码成二进制的 DLLP，传给数据链路层。

5、数据链路层（主板 / CPU 端）：

用 CRC 码校验 DLLP 是否完好，若完好则回复 “ACK” 给 SSD，同时去掉 “链路控制头和 CRC 码”，还原出 TLP，传给事务层。

6、事务层（主板 / CPU 端）：

解析 TLP 中的 “目标内存地址” 和 “数据”，将文件数据写入 CPU 指定的内存地址，完成一次数据传输。

5.PCIE的硬件测试

对于这些高速信号，需要使用高速差分示波器进行测试，常用的示波器厂家有kesight和泰克，建议选择信号速率为2倍速率以上的仪器进行测试，防止示波器带宽不足，出现测试失真情况，影响对信号质量的判定。测试眼图如下图所示，若测试信号眼图质量较差，可通过调节CPU或FPGA的PCIE相关参数（均衡、加重、摆幅等相关参数）。若想了解均衡、加重、摆幅对眼图的影响可查询相关文章或测试说明。

PCIe 眼图测试