89HPES32NT24BG2：高性能PCIe Gen2系統(tǒng)互連交換機(jī)的深度解析

在當(dāng)今的電子系統(tǒng)設(shè)計中，高性能的PCIe交換機(jī)扮演著至關(guān)重要的角色。今天，我們就來深入探討IDT家族的一款明星產(chǎn)品——89HPES32NT24BG2，這是一款專為高性能應(yīng)用設(shè)計的32通道、24端口PCIe Gen2系統(tǒng)互連交換機(jī)。

文件下載：89H32NT24BG2ZBHLGI.pdf

1. 設(shè)備概述

89HPES32NT24BG2屬于IDT的PCI Express?交換解決方案系列。它專為PCI Express Gen2數(shù)據(jù)包交換進(jìn)行了優(yōu)化，能夠支持多個同時進(jìn)行的點對點流量，適用于需要跨域通信的多主機(jī)或智能I/O系統(tǒng)，如服務(wù)器、存儲、通信和嵌入式系統(tǒng)等。

2. 產(chǎn)品特性亮點

2.1 高性能無阻塞交換架構(gòu)

• 靈活的端口配置：作為一款32通道、24端口的PCIe交換機(jī)，它提供了靈活的端口配置選項。例如，有四個x8堆棧，每個x8堆棧還能進(jìn)一步配置為一個x8端口、兩個x4端口、四個x2端口、八個x1端口，或者是這些通道寬度的多種組合。
• 高速數(shù)據(jù)傳輸：集成的SerDes支持5.0 GT/s的Gen2和2.5 GT/s的Gen1操作，最高可提供32 GBps（256 Gbps）的交換容量，支持128字節(jié)到2 KB的最大有效負(fù)載大小。
• 低延遲架構(gòu)：采用低延遲直通架構(gòu)，支持一個虛擬通道和八個流量類別，確保數(shù)據(jù)的快速傳輸。

2.2 端口可配置性

• 自動協(xié)商：每個端口都支持自動鏈路寬度協(xié)商（x8 ? x4? x2 ? x1），并且具備交叉鏈接支持和自動通道反轉(zhuǎn)功能。
• SerDes配置：每個通道的SerDes都可以進(jìn)行獨(dú)立配置，包括去加重、接收均衡和驅(qū)動強(qiáng)度等參數(shù)。

2.3 創(chuàng)新的交換機(jī)分區(qū)功能

• 獨(dú)立分區(qū)：支持多達(dá)8個完全獨(dú)立的交換機(jī)分區(qū)，在同一設(shè)備中實現(xiàn)邏輯上獨(dú)立的交換機(jī)功能。
• 動態(tài)配置：支持交換機(jī)分區(qū)的動態(tài)重新配置，包括下游、上游和非透明橋的動態(tài)端口重新配置，以及端口在分區(qū)之間的動態(tài)遷移和上游端口在交換機(jī)分區(qū)內(nèi)和之間的移動。

2.4 非透明橋接（NTB）支持

• 多端點通信：每個交換機(jī)最多支持8個NT端點，每個端點都可以與其他交換機(jī)分區(qū)、外部PCIe域或CPU進(jìn)行通信。
• 地址轉(zhuǎn)換：每個NT端點有6個BAR，支持32/64位基地址和限制地址轉(zhuǎn)換，其中兩個BAR（BAR2和BAR4）支持基于查找表的地址轉(zhuǎn)換。
• 消息傳遞：提供32個入站和出站門鈴寄存器以及4個入站和出站消息寄存器，支持多達(dá)64個主設(shè)備和無限數(shù)量的未完成事務(wù)，還支持多播功能，符合PCI - SIG多播標(biāo)準(zhǔn)，支持64個多播組和跨非透明端口的多播。

2.5 集成直接內(nèi)存訪問（DMA）控制器

• 多通道支持：支持多達(dá)2個DMA上游端口，每個端口有2個DMA通道，支持32位和64位的內(nèi)存到內(nèi)存?zhèn)鬏敗?/li>
• 高效傳輸：采用飛傳翻譯技術(shù)，與緩沖方法相比，可降低延遲并提高性能，支持任意源和目標(biāo)地址對齊，支持使用非透明端點進(jìn)行分區(qū)內(nèi)和分區(qū)間的數(shù)據(jù)傳輸，還支持向多播組進(jìn)行DMA傳輸。

2.6 服務(wù)質(zhì)量（QoS）

• 端口仲裁：采用輪詢仲裁方式，確保端口之間的公平性。
• 請求計量：這是IDT的專有功能，可在交換機(jī)端口之間平衡帶寬，以實現(xiàn)最大的系統(tǒng)吞吐量。

2.7 其他特性

• 時鐘支持：支持100 MHz和125 MHz的參考時鐘頻率，提供靈活的端口時鐘模式，包括公共時鐘、非公共時鐘以及帶有SSC（擴(kuò)頻設(shè)置）和端口參考時鐘輸入的本地端口時鐘。
• 熱插拔和熱交換：所有端口都配備熱插拔控制器，支持使用低成本外部I2C I/O擴(kuò)展器進(jìn)行熱插拔，可配置的存在檢測支持卡和電纜應(yīng)用，還提供GPE輸出引腳用于熱插拔事件通知。
• 電源管理：支持D0、D3hot和D3電源管理狀態(tài)，支持L0、L0s、L1、L2/L3 Ready和L3鏈路狀態(tài)，可配置L0s和L1進(jìn)入定時器，以實現(xiàn)性能和功耗的平衡。
• 可靠性、可用性和可維護(hù)性（RAS）：支持ECRC，所有端口都支持AER，所有內(nèi)部RAM都有SECDED ECC保護(hù)，端到端數(shù)據(jù)路徑有奇偶校驗保護(hù)，校驗和串行EEPROM內(nèi)容受保護(hù)，能夠在鏈路上下轉(zhuǎn)換時生成中斷（INTx或MSI）。
• 初始化/配置：支持根（BIOS、OS或驅(qū)動程序）、串行EEPROM或SMBus交換機(jī)初始化，通過引腳綁定支持常見的交換機(jī)配置，支持系統(tǒng)內(nèi)串行EEPROM初始化/編程。
• 片上溫度傳感器：溫度范圍為0到127.5攝氏度，有三個可編程溫度閾值，帶有過熱和過冷溫度閾值警報，可自動記錄最高或最低溫度。
• 通用I/O：提供9個通用I/O（GPIO）引腳，可單獨(dú)配置為通用輸入、通用輸出或備用功能。

3. 接口與引腳

3.1 SMBus接口

PES32NT24BG2包含兩個SMBus接口，一個是從接口，可提供對設(shè)備配置寄存器的完全訪問；另一個是主接口，可在復(fù)位后用外部串行EEPROM中編程的值覆蓋默認(rèn)配置寄存器值，還用于外部熱插拔I/O擴(kuò)展器。兩個接口都有SMBus時鐘引腳和SMBus數(shù)據(jù)引腳，主從SMBus采用分離配置，作為兩個獨(dú)立的總線運(yùn)行。

3.2 熱插拔接口

支持PCI Express熱插拔功能，每個下游端口（端口1到23）都可使用外部I/O擴(kuò)展器實現(xiàn)熱插拔。當(dāng)熱插拔輸出狀態(tài)需要修改時，設(shè)備會向I/O擴(kuò)展器生成SMBus事務(wù)；當(dāng)熱插拔輸入發(fā)生變化時，I/O擴(kuò)展器會產(chǎn)生中斷，設(shè)備會響應(yīng)中斷并讀取熱插拔輸入的狀態(tài)。

3.3 通用輸入/輸出

提供9個通用I/O（GPIO）引腳，可根據(jù)需要配置為通用輸入、通用輸出或備用功能，這些備用功能可通過軟件、SMBus從接口或串行配置EEPROM啟用。

3.4 引腳描述

文檔詳細(xì)列出了各種引腳的功能，包括PCI Express接口引腳、參考時鐘引腳、SMBus接口引腳、通用I/O引腳、堆棧配置引腳、系統(tǒng)引腳、測試引腳以及電源、接地和SerDes電阻引腳等。不同類型的引腳具有不同的特性和使用要求，例如一些輸入引腳可能需要外部上拉或下拉電阻，未使用的引腳也有相應(yīng)的處理建議。

4. 電氣特性

4.1 系統(tǒng)時鐘參數(shù)

輸入?yún)⒖紩r鐘頻率范圍為100 - 125 MHz，對時鐘的上升和下降沿速率、差分輸入電壓、單端交叉點電壓等參數(shù)都有具體要求，同時對時鐘的抖動、周期準(zhǔn)確性等也有嚴(yán)格規(guī)定。

4.2 AC時序特性

詳細(xì)給出了PCIe發(fā)送和接收的各種時序參數(shù)，包括單位間隔、最小Tx眼寬、上升/下降時間、空閑時間等，并且區(qū)分了Gen1和Gen2的不同要求。

4.3 推薦工作溫度和電壓

推薦的工作溫度范圍分為商業(yè)溫度（0°C到 +70°C環(huán)境）和工業(yè)溫度（ - 40°C到 +85°C環(huán)境）。推薦的工作電源電壓包括內(nèi)部邏輯電源、I/O電源、PCI Express模擬電源等，不同電源有不同的電壓范圍和噪聲要求。

4.4 電源消耗

典型功耗在25°C環(huán)境、所有端口35%總鏈路使用率的情況下測量，最大功耗在70°C環(huán)境、所有端口85%總鏈路使用率的情況下測量。通過關(guān)閉未使用的端口或使用Gen1模式可以降低功耗。

4.5 熱考慮

給出了設(shè)備的熱特性參數(shù)，如結(jié)溫、環(huán)境溫度、熱阻等。為了保證設(shè)備的可靠性，結(jié)溫不能超過規(guī)定的最大值，系統(tǒng)設(shè)計師需要根據(jù)這些參數(shù)進(jìn)行熱分析和散熱設(shè)計。

4.6 DC電氣特性

詳細(xì)列出了PCIe發(fā)送和接收、其他I/O的各種DC電氣參數(shù)，包括差分輸出電壓、輸入阻抗、泄漏電流等，這些參數(shù)對于確保設(shè)備的正常工作至關(guān)重要。

4.7 絕對最大電壓額定值

雖然給出了絕對最大電壓額定值，但為了保證設(shè)備的正常和可靠運(yùn)行，應(yīng)避免超過推薦的工作電壓范圍。

4.8 SMBus特性

給出了SMBus的DC特性數(shù)據(jù)和AC時序數(shù)據(jù)，包括輸入輸出電壓、時鐘頻率、總線空閑時間等參數(shù)。

5. 封裝與訂購信息

5.1 封裝

采用23mm x 23mm 484 - 球倒裝芯片BGA封裝，引腳間距為1mm。文檔提供了詳細(xì)的引腳排列表，方便工程師進(jìn)行電路板設(shè)計。

5.2 訂購信息

提供了多種有效的訂購組合，包括不同的溫度范圍、封裝類型和設(shè)備修訂版本等，滿足不同用戶的需求。

6. 總結(jié)

89HPES32NT24BG2是一款功能強(qiáng)大、性能卓越的PCIe Gen2系統(tǒng)互連交換機(jī)，具有豐富的特性和靈活的配置選項。在設(shè)計高性能電子系統(tǒng)時，它能夠提供可靠的通信和數(shù)據(jù)傳輸解決方案。然而，在實際應(yīng)用中，工程師需要根據(jù)具體的需求和系統(tǒng)環(huán)境，仔細(xì)考慮設(shè)備的電氣特性、熱特性等因素，以確保設(shè)備的正常運(yùn)行和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。你在使用類似PCIe交換機(jī)時遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗。