COM载板设计之七：PCIe

2.2 PCIe一般介绍

PCIe提供了一种可裁减高速串行I/O点到点的总线连接。PCIe的LAN是一个全双工的通道，由一对接收差分对和一对发送差分对构成。PCIe的带宽可以通过增减LANE数来调整。PCIe规范定义了x1，x4，x8，x16和x32的连接宽度。每个LAN的原始数据传输速率是2.5Gbps @ 1.25GHz。

PCIe易于使用，但必须满足设计规则。最重要的规则是PCIe LAN必须以差分对形式布线。PCIe设计规则在PCB设计一节中有详细讨论。显然PCIe的布线要比PCI容易的多，因为线少多了。

2.2.1 COM Express A-B连接器和C-D连接器的PCIe组

COM Express类型2模块有两组PCIe LANE，一组PCIe由6个LANE构成，用于通用目的。另一组由16个LANE组成，用于图形显示接口，我们称之为PEG接口。某些PEG接口在不用作外部图形接口时可以作为通用PCIe接口使用，但是这样看COM模块的芯片集是否支持这种用法。

2.3 通用目的的PCIe通道

2.3.1 通用目的的PCIe信号定义

通用目的的PCIe接口由6个LANE组成，如表4：

信号	脚	描述	I/O	注释
PCIE_RX0+ PCIE_RX0-	B68 B69	PCIe通道0，接收输入差分对	I PCIE
PCIE_TX0+ PCIE_TX0-	A68 A69	PCIe通道0，发送输出差分对	O PCIE
PCIE_RX1+ PCIE_RX1-	B64 B65	PCIe通道1，接收输入差分对	I PCIE
PCIE_TX1+ PCIE_TX1-	A64 A65	PCIe通道1，发送输出差分对	O PCIE
PCIE_RX2+ PCIE_RX2-	B61 B62	PCIe通道2，接收输入差分对	I PCIE
PCIE_TX2+ PCIE_TX2-	A61 A62	PCIe通道2，发送输出差分对	O PCIE
PCIE_RX3+ PCIE_RX3-	B58 B59	PCIe通道3，接收输入差分对	I PCIE
PCIE_TX3+ PCIE_TX3-	A58 A59	PCIe通道3，发送输出差分对	O PCIE
PCIE_RX4+ PCIE_RX4-	B55 B56	PCIe通道4，接收输入差分对	I PCIE
PCIE_TX4+ PCIE_TX4-	A55 A56	PCIe通道4，发送输出差分对	O PCIE
PCIE_RX5+ PCIE_RX5-	B52 B53	PCIe通道5，接收输入差分对	I PCIE
PCIE_TX5+ PCIE_TX5-	A52 A53	PCIe通道5，发送输出差分对	O PCIE
PCIE_CLK_REF+ PCIE_CLK_REF-	A88 A89	PCIe参考时钟，所有的LAN包括PEG	O PCIE	COM模块仅这一个参考时钟
EXCD0_CPPE#	A49	PCIe卡0能力请求，低有效	I CMOS
EXCD0_PERST#	A48	PCIe卡0复位，低有效	O CMOS
EXCD1_CPPE#	B48	PCIe卡1能力请求，低有效	I CMOS
EXCD1_PERST#	B47	PCIe卡1复位，低有效	O CMOS
CB_RESET#	B50	模板对载板的复位输出。低有效，由模板芯片集发出。可能是由于SYS_RESET#事件、PWR_OK事件、VCC_12V降到规定值以下事件、看门狗超时事件，软件发布的复位载板命令事件	O CMOS
PCI_RESET#	C23	PCI复位输出，低有效	O CMOS Suspend
WAKE0#	B66	PCIe唤醒信号	I CMOS

2.3.2 PCIe LANE配置-按照COM Express规格

按照COM Express规范，PCIe LANE可以配置成6个x1的PCIe连接，或者是x1，x2，x4连接的组合。这些配置依赖于COM Express模块的芯片组性能。

COM Express规范定义了一个“fill order”规则，例如L规则要求x4的PCI连接必须映射到LAN0、1、2、3。

注：所有PCIe设备除了能工作在全速模式外，都要求能工作在x1模式，例如：一个x4的PCIe卡，可以使用在x4或x1模式，这种情况下的中间模式（x2）是可选的。

2.3.3 PCIe LANE配置-模块和芯片组间的依赖

PCIe接口的LANE配置方案取决于COM Express模块所用的芯片组。某些模块和芯片组允许软件配置连接宽度（x1，x4）。某些需要硬件来进行x4选项的配置。COM Express对此并没有规定，具体应该见厂家提供的模块用户手册

2.3.4 Device Up/Device Down及PCIe Rx/Tx耦合电容

图3：PCIe Rx耦合电容

“Device Down”指PCIe目标设备实现在载板上；“Device Up”指目标设备实现在插座上（或mini-PCIe卡、ExpressCard、AMC Card）。在“Device Down”和“Device up”实现上，有一些区别：

Device Down：

l  目标设备PCIe的TX线的耦合电容在载板上，尽可能距离设备的TX近。

l  在载板上允许的PCIe的线长度比Device Up长。见PCB布线规则。

Device Up：

l  目标设备PCIe的TX线的耦合电容在插卡上。

l  在载板上允许的PCIe的线长度比Device Down短，因为卡上还有一段PCIe线。见PCB布线规则。

耦合电容的大小应该符合COM Express规范。

2.3.5 参考设计

2.3.5.1 参考时钟缓冲

COM Express规范仅定义了一个PCIe的参考时钟，这个100MHz的差分时钟是的目标PCIe设备能够更快速地锁定到PCIe位流内嵌的时钟上。

如果载板上只有一个PCIe设备，那么直接把这个脚连过去就可以了，如果有多个PCIe设备，则需要通过“0延迟”缓冲来获得多个时钟。这样fed1芯片有IDT、Cypress等。

图4 PCIe参考时钟缓冲器

每个时钟对点到点地连接到插座上或中断设备上，布线规则按照差分信号布线规则。

推荐在ICS9DB102缓冲器的时钟输出脚最近处串联一个33欧姆电阻和一个49.9欧姆对地的终端电阻。

SMBUS软件能够使能和禁止时钟缓冲输出，以减少EMI。

CLKREQ0和CLKREQ1应该下拉以便允许时钟缓冲输出，对于功耗要求不严格的应用，时钟可以永久接到低电平，永久是能时钟输出。

2.3.5.2 复位

PCI接口和PCIe接口，共享PCI_RESET#信号。CB_RESET#信号也可以代替PCI_RESET#。对于类型1、4、5的COM Express模块，由于没有PCI_RESET#信号，所以只能用CB_RESET#。

2.3.5.3  x1插座例子

图5，PCIe x1插座例子：

上面的例子显示PCIe的LANE0连接到这个插座，别的LANE是否可以被使用取决于模板。

没有耦合电容，因为PCIe TX的耦合电容在COM模块上，PCIe的耦合电容在卡上。

插座的REFCLK+和REFCLK-由时钟缓冲驱动，见图4，如果仅这一个PCIe设备，则只需把COM Express模块的REFCLOCK接过来就可以。

插座的PWRGD信号有COM Express的PCI_RESET#信号驱动，CB_RESET#也能使用。如果载板仅一个或两个目标设备，PCI_RESET#或CB_RESET#可以直接使用。

PRSNT1#和PRSNT2#是热插拔机制的一部分，然而大部分系统并不支持完整的热插拔功能，如果使用，方案如下：PRSNT1#（A1）下拉，在卡上，被路由到PRSNT2#（B17），B17的状态由BIOS读回。如果有卡插入，B17为0，无卡，则为1。软件使用这个信息给卡加电。但是COM Express并没有做什么规范性的规定，也没有任何硬件上的支持。系统如果试着实现这个热插拔功能，也没有必要读回PRSNT2#的状态。因此，这在图5上仅仅是作为一个测试点。

SMB_CK和SMB_DAT源自COM Express模块的B13和B14。SMBUS支持卡的管理功能，SMBUS软件能保存卡进入Suspend状态前的上下文，报告错误，接收控制参数，返回状态信息和卡信息（如卡的序列号）。卡对SMBUS的支持是可选的。

JTAG一般不用。

2.3.5.4  x4插座的例子

图6 PCIe x4插座的例子

2.3.5.5 PCIe x1通用Device Down例子

图7 PCIe x1 通用 Device Down例子：

图5仅显示在全电源ON状态（S0）的信号。如果载板器件支持电源管理特征，那么还有一些信号要起作用，如：为了支持唤醒功能，载板器件必须可以断言WAKE0#。

某些具备电源管理能力的器件还有CLKREQ#信号，见图4。

载板PCIe设备还可能要求支持SMBUS，如果载板器件使用Suspend电源，那么器件的SMBUS脚可以直接路由到COM Express的SMBUS脚（SMB_CK, SMB_DAT, SMB）ALERT#），如果载板SMBUS脚不是由Suspend电源供电，那么必须使用FET或总线开关隔离。见SMBUS总线的介绍。

2.3.5.6 PCIe x4通用Device Down例子

图8 PCIe x4通用Device Down例子

图6仅显示在全电源ON状态（S0）的信号。如果载板器件支持电源管理特征，那么还有一些信号要起作用，如：为了支持唤醒功能，载板器件必须可以断言WAKE0#。

某些具备电源管理能力的器件还有CLKREQ#信号，见图4。

载板PCIe设备还可能要求支持SMBUS，如果载板器件使用Suspend电源，那么器件的SMBUS脚可以直接路由到COM Express的SMBUS脚（SMB_CK, SMB_DAT, SMB）ALERT#），如果载板SMBUS脚不是由Suspend电源供电，那么必须使用FET或总线开关隔离。见SMBUS总线的介绍。

2.3.5.7 PCIe Mini Card

PCIe Mini Card是一个小型的卡，用于移动计算或嵌入式平台，它不支持热交换能力。

PCIe Mini Card接口包括一个x1的PCIe连接和一个USB2.0通道，Host两个接口都应该支持。

         图9 PCI Mini Card尺寸：

         图10 PCIe Mini Card 连接器

         表5 PCIe Mini Card连接器管脚

脚	信号	描述	脚	信号	描述
1	WAKE#	唤醒信号	2	+3.3V	主电源3.3V
3	RSVD	保留	4	GND	地
5	RSVD	保留	6	+1.5V	第二电源1.5V
7	CLKREQ#	时钟请求	8	UIM_PWR	UIM用的电源
9	GND	地	10	UIM_DATA	UIM用的数据信号
11	REFCLK-	参考时钟-	12	UIM_CLK	UIM用的时钟
13	REFCLK+	参考时钟+	14	UIM_RESET	UIM用的复位
15	GND	地	16	UIM_VPP	UIM用的可变电压
定位KEY
17	RSVD	保留	18	GND	地
19	RSVD	保留	20	W_DISABLE	系统使用的禁止无线操作
21	GND	地	22	PERST#	PCIe复位
23	PERn0	LANE0接收差分对的-	24	3.3VVaux	辅助电源3.3V
25	PERp0	LANE0接收差分对的+	26	GND	地
27	GND	地	28	+1.5V	第二电源1.5V
29	GND	地	30	SMB_CLK	系统管理总线时钟
31	PETn0	LANE0发送差分对的-	32	SMB_DATA	系统管理总线数据
33	PETp0	LANE0发送差分对的+	34	GND	地
35	GND	地	36	USB_D-	USB数据-
37	RSVD	保留	38	USB_D+	USB数据+
39	RSVD	保留	40	GND	地
41	RSVD	保留	42	LED_WWAN#	系统提供的状态指示灯
43	RSVD	保留	44	LED_WLAN#	系统提供的状态指示灯
45	RSVD	保留	46	LED_WPAN#	系统提供的状态指示灯
47	RSVD	保留	48	+1.5V	第二电源1.5V
49	RSVD	保留	50	GND	地
51	RSVD	保留	52	+3.3V	主电源3.3V

 

         图11 PCIe Mini Card参考设计电路

图中使用了PCIe的LANE1和USB0。也可以使用别的端口，但是这要看模板。

如果不需要支持Suspend模式，那么3.3VAUX可以直接接到VCC_3V3，这种情况下，WAKE#脚应该悬空。

         PERST#可以使用CB_RESET#或PCI_RESET#，或者是这些信号缓冲后的信号。

2.3.5.8 ExpressCard

ExpressCard支持热插拔，体积也很小巧。可以通过x1的PCIe或者USB2.0接口。按照ExpressCard规范，作为HOST应该提供PCIe和USB连接。可以支持一个或者多个ExpressCard设备。COM Express有4个信号专用于支持2个ExpressCard插座

表6 ExpressCard支持的信号

信号	脚	描述	I/O
EXCD0_CPPE#	A49	ExpressCard0请求	I 3.3V CMOS
EXCD1_CPPE#	B48	ExpressCard1请求	I 3.3V CMOS
EXCD0_PERST#	A48	ExpressCard0复位	O 3.3V CMOS
EXCD1_PERST#	B47	ExpressCard1复位	O 3.3V CMOS

图12 ExpressCard尺寸

图13 ExpressCard插座

图14 PCe：ExpressCard例子

图中使用了PCIe的LANE2和USB1，也可以使用其它通道，但要看模板情况。

PCIE_TX2+和PCIE_TX2-源自COM Express模块，这些线驱动ExpressCard上的PCIe接收器。载板上没有耦合电容，耦合电容在COM Express模块上。

PCIE_RX2+和PCIE_RX2-源自ExpressCard，载板上没有耦合电容，耦合电容在ExpressCard上。

PCIE_REF_CLK1+和PCIE_REF_CLK-源自PCIe的参考时钟缓冲器。

CPPE#在ExpressCard上被下拉，以表示卡存在并有一个PCIe接口。CPUSB#在ExpressCard上被下拉，以表示卡存在并有一个USB2.0接口。CPPE#或CPUSB#为低会引起TPS2231 ExpressCard电源控制芯片给ExpressCard供电。

TPS2231集成了一定数目的上拉电阻，其他解决方案可能需要外部上拉电阻。

CLKREQ#用作动态时钟管理，当这个信号为低的时候，表示不支持时钟动态管理功能。

ExpressCard PCIe复位信号，PERST#由TPS2231驱动，PERST#在电源超出规定范围的时候断言，或者如果COM Express 的EXCD0_PERST#为低的时候。

WAKE#由ExpressCard断言，会引起COM Express模块唤醒。WAKE0#在模块中是上拉的，其他WAKE0#源是“线或”关系。

SMBUS支持客户报警、无线RF管理、边带信号管理。这个功能在EXpressCard上是可选的。

2.3.6 PCIe布线考虑

PCIe信号是高速差分对，差分阻抗是100欧姆。布线时一定要以差分对形式走线，最好参考一个连续的地平面，做到过孔最少。

PCIe差分对的正负两个线长度的匹配要满足规定，但是差分对之间的长度并不需要匹配。

PCB设计请参考PCB设计指南。

2.3.6.1 极性反转

每个LANE都支持极性的反转，这就意味着布线的时候，不必去考虑两点之间的极性关系，意味着你可以将模块的PCIE_TX0+连接到插座的-脚，把PCIE_TX0-连接到插座的+脚。这样避免线的交叉，降低了按照规则布线的难度。

2.3.6.2 LANE反转

PCIe并不支持LANE的翻转。