PEX8724芯片概述

PEX8724是一款由Broadcom（博通）公司推出的高性能、低功耗的PCI Express（PCIe）交换芯片，专为满足复杂系统的高速互连需求而设计。它遵循PCI Express 3.0标准，提供了24个可配置的PCIe通道和6个端口，旨在为数据中心、存储设备、工业自动化和嵌入式系统等应用提供强大的扩展和连接能力。这款芯片的核心优势在于其灵活的端口配置、低延迟、高吞吐量以及对多种拓扑结构的支持，使其成为构建复杂PCIe总线架构的理想选择。

PEX8724的内部架构经过精心优化，以实现高效的数据传输和可靠的系统操作。它集成了先进的交换矩阵，能够以线速在不同的PCIe端口之间转发数据包，最大程度地减少了传输瓶颈。芯片还支持各种高级功能，如多播（Multicast）、虚拟通道（Virtual Channels）、服务质量（Quality of Service, QoS）以及热插拔（Hot-Plug）等，这些功能使得系统设计者能够构建更加灵活、健壮且易于管理的系统。

该芯片还特别注重功耗管理，支持多种低功耗状态，能够在不影响系统性能的前提下，有效降低整体功耗，这对于对能耗有严格要求的应用至关重要。此外，PEX8724还提供了全面的错误处理和报告机制，包括端到端数据完整性检查（End-to-End CRC）和高级错误报告（Advanced Error Reporting），确保了数据传输的可靠性和系统的稳定性。

核心架构与关键特性

PCI Express 3.0标准兼容性PEX8724完全符合PCI Express 3.0规范，支持8.0 GT/s（Giga Transfers per second）的数据传输速率。这意味着每个PCIe通道在每个方向上都能提供高达1GB/s的吞吐量，从而为需要大量数据传输的应用提供了充足的带宽。芯片向后兼容PCI Express 2.0和1.1标准，确保了与旧有设备的互操作性，为系统升级提供了便利。

灵活的端口配置PEX8724提供了6个端口和24个通道，这些端口和通道可以根据具体的应用需求进行灵活配置。芯片支持多种端口组合，例如：

• 1个上行端口（Uplink）和5个下行端口（Downlink），可以用于扩展主板的PCIe插槽。

• 3个上行端口和3个下行端口，可以用于构建复杂的网络拓扑或进行多主机连接。

• 6个对等端口（Peer-to-Peer），可以用于设备之间的直接通信，无需经过主机CPU，从而降低了延迟。 这种灵活性使得PEX8724能够适应从简单的扩展卡到复杂的背板互连等多种应用场景。

先进的交换矩阵PEX8724的核心是一个无阻塞的、高带宽的交换矩阵。该矩阵能够以线速在所有端口之间转发数据包，确保了低延迟和高吞吐量。它采用先进的调度算法，能够公平地分配带宽，避免了端口之间的竞争，从而保证了所有连接的设备都能获得稳定的性能。

低功耗设计为了降低功耗，PEX8724支持多种电源管理功能，包括：

• ASPM（Active State Power Management）：允许PCIe链路在空闲时进入低功耗状态，从而降低能耗。

• L1 Sub-State Power Management：提供了更细粒度的低功耗状态，进一步优化了功耗。

• 热插拔功能：PEX8724支持PCIe设备的热插拔，使得用户可以在系统运行时插入或拔出设备，而无需关机。这对于需要高可用性的系统，如存储服务器和通信设备，至关重要。

强大的错误处理与报告PEX8724集成了全面的错误处理和报告机制，以确保数据传输的可靠性。主要功能包括：

• ECRC（End-to-End CRC）：在数据包的头部和尾部添加CRC校验码，以确保数据在传输过程中没有被损坏。

• AER（Advanced Error Reporting）：提供了详细的错误报告机制，允许系统软件能够准确地定位和诊断错误。

• PHY Error Reporting：能够报告物理层（PHY）的错误，如信号完整性问题，有助于调试和维护。

PEX8724引脚定义与信号描述

PEX8724芯片采用BGA（Ball Grid Array）封装，拥有数百个引脚，每个引脚都有其特定的功能。以下是一些关键引脚的分类和描述，以帮助系统设计者理解其电气特性和连接要求。

电源与地引脚

• VDD：核心电源引脚，用于为芯片的核心逻辑提供供电。

• VCC：I/O电源引脚，用于为PCIe的I/O接口提供供电。

• GND：地引脚，用于连接到系统的地平面。

• VDD_PCIE_PLL：专用于PCIe物理层PLL（锁相环）的电源，以确保稳定的时钟信号。

• VCC_PCIE_REF：PCIe参考时钟的电源。

时钟引脚

• CLK_REF_IN：外部参考时钟输入引脚，通常为100MHz。

• CLK_OUT_UPLINK：上行端口的时钟输出。

• CLK_OUT_DOWNLINK：下行端口的时钟输出。

• CLK_PCIE_RST：PCIe复位信号，用于对芯片进行硬复位。

PCIe数据引脚PEX8724的PCIe接口由多对差分信号线组成，每对信号线都包含一个发送端（TX）和一个接收端（RX），以实现高速串行数据传输。

• TXP_A/TXN_A：PCIe通道A的发送差分信号对。

• RXP_A/RXN_A：PCIe通道A的接收差分信号对。

• 芯片有多个这样的通道，每个通道都由一对TX和RX差分信号对组成。

I2C与JTAG引脚

• SDA/SCL：I2C总线的数据和时钟引脚，用于对芯片进行配置和状态读取。

• TCK/TDI/TDO/TMS：JTAG调试接口引脚，用于芯片的边界扫描和调试。

其他控制引脚

• RST_N：低电平有效的全局复位信号。

• PERST_N：PCIe复位信号，通常由主机发出。

• PLTRST_N：平台复位信号。

• EEPROM_CS：用于访问外部EEPROM的片选信号。

• GPIO：通用I/O引脚，可用于多种控制和状态监控目的。

在进行硬件设计时，必须严格遵循数据手册中对引脚的电气特性、连接要求和布线指南的规定，以确保信号完整性和芯片的正常工作。特别是对于高速PCIe信号线，必须进行阻抗匹配和差分对布线，以最大程度地减少信号反射和串扰。

寄存器配置与软件编程指南

PEX8724芯片的配置和管理主要通过其内部的寄存器来实现。这些寄存器可以通过PCIe配置空间或I2C接口进行访问。了解并正确配置这些寄存器是实现PEX8724功能的关键。

PCIe配置空间PEX8724作为PCIe设备，其配置空间遵循PCI Express标准。它包含了多个配置寄存器，用于控制设备的各种行为。

• 配置头（Configuration Header）：包含了设备ID、供应商ID、类别码等基本信息。

• PCIe能力结构（PCIe Capability Structure）：包含了PCIe特定功能，如PCIe版本、链路能力、设备控制等。

• 端口配置寄存器：用于配置各个PCIe端口的工作模式、链路速度、通道分配等。

• 错误状态寄存器：用于读取芯片的错误状态和错误报告。

• 高级错误报告能力寄存器：用于启用和配置AER功能。

I2C接口配置除了PCIe配置空间，PEX8724还提供了一个I2C接口，用于在系统启动前或通过嵌入式控制器对芯片进行配置。通过I2C，可以访问一些特殊的寄存器，例如：

• 初始化寄存器：用于在芯片上电时进行一些基本的初始化设置。

• 端口复位寄存器：可以通过I2C接口对特定的PCIe端口进行复位。

• GPIO控制寄存器：用于配置和控制GPIO引脚的功能。

软件编程对PEX8724的软件编程主要涉及以下几个方面：

1. 驱动程序开发：在操作系统中，需要一个驱动程序来识别和管理PEX8724芯片。这个驱动程序负责在系统启动时枚举芯片的各个端口，并为连接到这些端口的设备分配资源。

2. 寄存器访问：驱动程序需要通过PCIe配置空间读写PEX8724的寄存器，以配置其工作模式、链路速度、错误报告等。

3. 中断处理：当芯片发生错误时，会产生中断信号。驱动程序需要注册中断处理函数，以响应这些中断并进行相应的错误处理。

4. 热插拔管理：如果系统支持热插拔功能，驱动程序需要监控热插拔事件，并在设备插入或拔出时进行相应的资源分配或释放。

PEX8724的应用案例分析

PEX8724芯片凭借其高性能和灵活性，被广泛应用于各种需要高速PCIe互连的场景。以下是一些典型的应用案例：

服务器与存储系统在服务器和存储系统中，PEX8724可以作为PCIe交换机，用于扩展主机的PCIe总线，连接多个PCIe设备，如SSD、RAID卡、网络适配器等。通过PEX8724，可以在一个服务器中连接数十甚至数百个PCIe设备，大大提高了系统的存储和I/O能力。例如，在一个NVMe SSD阵列中，PEX8724可以将多个NVMe SSD连接到主机CPU，从而实现高吞吐量和低延迟的存储访问。

工业自动化与嵌入式系统在工业自动化领域，PEX8724可以用于连接各种传感器、控制器和图像采集卡等设备。其低延迟和高可靠性使得它非常适合实时控制和数据处理应用。在嵌入式系统中，PEX8724可以用于扩展CPU的PCIe总线，从而连接更多的外设，如GPU、FPGA、网络接口等，以满足复杂嵌入式应用的性能需求。

网络设备与通信系统在网络设备中，PEX8724可以作为交换机，用于连接多个网络接口卡（NIC）或处理单元。例如，在一个网络安全设备中，PEX8724可以将多个10G或40G的NIC连接到主处理单元，以实现高速的数据包处理和转发。其强大的QoS功能可以确保关键数据流的优先级，从而满足对实时性有严格要求的通信应用。

GPU服务器与人工智能在GPU服务器和人工智能应用中，PEX8724可以用于连接多个GPU，以构建大规模的并行计算集群。通过PEX8724的对等（Peer-to-Peer）通信功能，GPU之间可以直接进行数据交换，无需经过主机CPU，从而大大降低了通信延迟，提高了计算效率。这对于需要大量数据传输和并行计算的深度学习训练和推理任务至关重要。

硬件设计与布局指南

在设计PEX8724的硬件电路板时，必须严格遵循一系列设计原则，以确保芯片的正常工作和信号的完整性。

电源设计PEX8724需要多个独立的电源，包括核心电源、I/O电源和PLL电源。在设计电源电路时，应使用低噪声、低纹波的电源，并为每个电源提供足够的去耦电容。去耦电容应尽量靠近芯片的电源引脚放置，以减少高频噪声。同时，应使用独立的电源平面，以确保电源的稳定性和隔离性。

时钟设计PEX8724的参考时钟是其正常工作的关键。应使用一个高质量的、低抖动的100MHz晶体振荡器作为时钟源。时钟信号的布线应尽量短且走线宽度一致，并进行差分布线，以确保信号完整性。时钟走线周围应有完整的地平面，以提供良好的屏蔽。

PCIe信号布线PCIe信号是高速差分信号，对布线质量有严格要求。

• 阻抗匹配：PCIe差分信号线的阻抗应为100欧姆。在布线时，应使用控制阻抗布线技术，以确保阻抗一致。

• 等长布线：差分信号对中的两条线应尽量等长，以减少信号的相位差。

• 差分对布线：差分信号对应并行布线，并保持固定的间距，以提供良好的共模噪声抑制能力。

• 避免过孔：尽量减少PCIe信号线上的过孔数量，因为过孔会引入电容和电感，影响信号完整性。

散热设计PEX8724是一款高性能芯片，在工作时会产生一定的热量。因此，必须为芯片提供良好的散热方案。在设计电路板时，应在芯片下方设置热传导过孔，将热量传导到内层的地平面，并使用散热片或风扇进行主动散热。

EMI/EMC设计为了满足电磁兼容性（EMC）要求，应在设计中采取一些措施来减少电磁干扰（EMI）。

• 屏蔽：在关键的高速信号走线周围使用地平面进行屏蔽。

• 滤波：在电源输入端使用电感和电容进行滤波，以减少电源噪声。

• 接地：确保电路板有良好的接地设计，所有地平面都应连接在一起，以提供低阻抗的接地路径。

总结与展望

PEX8724芯片作为一款先进的PCI Express交换机，凭借其卓越的性能、灵活的配置和丰富的功能，在当今高速互连领域扮演着重要的角色。它不仅为服务器、存储系统和网络设备提供了强大的扩展能力，还为工业自动化和人工智能等新兴应用提供了可靠的解决方案。

未来，随着PCIe技术的不断演进，如PCIe 4.0和PCIe 5.0的普及，对更高带宽、更低延迟的互连需求将持续增长。PEX8724芯片的后继产品将继续沿着这一方向发展，提供更强的性能、更低的功耗和更丰富的功能。例如，未来的PCIe交换芯片可能会集成更多的端口、支持更高的传输速率，并引入更智能化的管理功能，以适应不断变化的系统需求。

总的来说，PEX8724是一款功能强大、应用广泛的PCIe交换芯片，它为系统设计者提供了构建高性能、高可靠性系统的坚实基础。通过深入理解其架构、引脚、寄存器和应用，设计者可以充分利用其潜力，开发出满足各种复杂需求的高效解决方案。