嵌入式系統(tǒng)的PCI Express時鐘分配

共用時鐘架構(gòu)作為最常使用的方法有很多理由。首先，大多數(shù)支持PCIe接口的商用芯片只適用于這種架構(gòu)。其次，這種架構(gòu)是唯一可以直接支持展頻計時（Spread Spectrum clocking，簡稱SSC）的架構(gòu)。SSC在減少電磁干擾峰化方面起著非常重要的作用，因此可以簡化符合系統(tǒng)電磁輻射限制的工作（見圖4）。最后，這種架構(gòu)最容易形成概念和設(shè)計。

共用時鐘架構(gòu)最大的缺點在于需要為系統(tǒng)中每個PCIe端點分配基準(zhǔn)時鐘。頻率為 100MHz或125MHz的時鐘以及PCIe規(guī)范嚴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――106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。這就是說如果系統(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，而檢驗抖動達標(biāo)的方法詳細列在PCIe抖動建模修訂版1.0D和PCIe抖動和BER修訂版1.0中。機電規(guī)范提供了機械尺寸信息、電信號定義和功能。其中一些，如卡機電（Card Electromechanical，簡稱CEM）1.1和CEM2.0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。其它已出版的機電規(guī)范覆蓋了其它尺寸，如用于移動計算平臺的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 ClockSignal 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）或多點低電壓差分信號（Multipoint-Low-Voltage Differential Signaling，簡稱M-LVDS）信令，以實現(xiàn)時鐘分配網(wǎng)絡(luò)更遠的距離和/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。為了解決這些背板上經(jīng)常出現(xiàn)的繁重電氣負載問題，這些信號需要有非常強大的驅(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，尤其是在背板比最差設(shè)計點的負載更低時。另一個設(shè)計上的挑戰(zhàn)在于PCIe詳細規(guī)定了100MHz或125MHz的基準(zhǔn)時鐘，這是一個很難在高負載長背板上順利分配的頻率。

除了PCIe規(guī)范嚴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)計利用點對點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系統(tǒng)的每個PCIe端點。如果一張卡上有多個PCIe端點，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 Buffers，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運行的抖動限制，設(shè)計起來也是非常困難的。

假設(shè)我們能設(shè)計出這樣的卡上分配方案，我們?nèi)孕枰峁腜CIe主到系統(tǒng)上每張卡的點對點連接。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。

一個消除這些限制的解決辦法是降除主卡上的PCIe基準(zhǔn)時鐘，并利用一個M-LVDS多點信號在背板之間進行分配，然后將其提高到目標(biāo)卡所需的頻率。盡管理論上非常簡單，但實現(xiàn)PCIe抖動限制卻很棘手（見圖5，注意綠色信號線不起作用）。

這一解決方案可提供一個M-LVDS對，用來驅(qū)動或接收符合PCIe的基準(zhǔn)時鐘。如圖5所示，在許多嵌入式系統(tǒng)中，根據(jù)應(yīng)用的”與/或”插槽進行分配，每張卡都可作為主操作或端點操作。顯然，如圖所示，只用于其中一種模式操作的卡將被簡化。系統(tǒng)中的一張卡將作為主，利用其板上晶振生成滿足PCIe限制的基準(zhǔn)時鐘。這個時鐘將利用內(nèi)部時鐘分配網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動所有板上PCIe器件。該時鐘也將到達非PLL除法器電路，將100MHz或125MHz向下降除為25MHz的背板頻率，然后將除降了的基準(zhǔn)時鐘驅(qū)動到系統(tǒng)的其余卡上。