PEX8724芯片技术概览与应用分析

1. 引言：PCIe交换机在现代计算中的核心地位

在当今的高性能计算、数据中心、存储和网络领域，PCI Express (PCIe) 总线已成为连接处理器与各种高速外设的标准接口。随着数据吞吐量的不断增长和设备数量的增加，单一的PCIe根端口已无法满足需求。PCIe交换机应运而生，它作为一种关键的互连设备，能够扩展PCIe总线，允许多个PCIe设备共享一个或多个上游端口，并实现设备之间的点对点通信，极大地提升了系统的灵活性、可扩展性和性能。

PEX8724正是PLX Technology（现已并入Broadcom）公司推出的一款高性能、低延迟的PCIe交换机芯片。它专为严苛的应用环境而设计，通过其独特的功能和强大的性能，在服务器、存储阵列、通信设备以及工业控制等多个领域扮演着至关重要的角色。本技术概览将深入探讨PEX8724的核心技术细节、架构设计、关键特性及其在不同应用场景中的实际价值，旨在为工程师和系统设计师提供一个全面的参考。

2. PEX8724核心架构与技术特性

PEX8724是一款符合PCI Express 2.0规范的24通道、4端口交换机。虽然现在已有更高级别的PCIe 3.0/4.0/5.0交换机，但在许多既有的系统和对成本敏感的应用中，PEX8724仍然是一个非常受欢迎和可靠的选择。其架构设计精妙，旨在提供高性能和高度的灵活性。

端口配置与通道分配

PEX8724提供了4个可配置的PCIe端口和24条PCIe通道。其最典型的配置是x4/x4/x4/x12，这意味着它可以将一个上游x12端口扩展为三个下游x4端口，或者将一个上游x8端口扩展为两个下游x8端口，甚至可以配置为x16或更灵活的端口组合。这种高度的灵活性允许系统设计者根据具体的应用需求，自由地分配和利用可用的PCIe通道。例如，在一个存储系统中，可以将一个上游端口连接到主控芯片，下游端口连接到多个SAS/SATA RAID控制器或NVMe SSD，从而实现高速数据传输和存储容量的扩展。此外，PEX8724还支持热插拔功能，允许在系统运行时添加或移除设备，这对于构建高可用性、可维护的系统至关重要。

Non-Blocking交换架构

PEX8724采用了一种先进的非阻塞（non-blocking）交换架构。这意味着在芯片内部，所有端口之间的数据传输都可以同时进行，而不会相互影响。理论上，所有24条通道都可以实现全双工、全线速的数据交换，总带宽高达20 Gbps (Gen2 x4) 或更高，具体取决于配置。这种设计消除了传统共享总线架构中的性能瓶颈，确保了多个设备在高负载下也能维持稳定的性能。例如，当两个下游设备之间进行数据传输时，不会影响上游端口与第三个下游设备之间的通信。这种并发处理能力对于构建多任务、高吞吐量的系统至关重要。

高级可靠性与数据完整性功能

在企业级应用中，数据的可靠性和完整性是不可妥协的。PEX8724集成了一系列高级功能来确保系统的稳定运行。其中包括：

• 端到端数据完整性检查（End-to-End Data Integrity Check）：该功能能够验证数据在从发送端到接收端的整个传输路径中是否发生错误。它通过在数据包中添加CRC校验码来实现，一旦发现错误，就会触发重传机制，确保数据的准确性。

• 高级错误报告（Advanced Error Reporting）：PEX8724能够检测并报告多种类型的PCIe错误，包括但不限于Link Layer Errors、Data Link Layer Errors以及Protocol Errors。这些详细的错误报告有助于系统固件或软件快速定位问题，进行故障排除。

• 热插拔（Hot-Swap）：如前所述，PEX8724支持热插拔功能，并提供了相应的热插拔控制器（Hot-Swap Controller）。这使得设备可以在不关闭系统电源的情况下进行更换，极大地提高了系统的可用性和维护效率。

3. PEX8724性能优势与低延迟特性

低延迟交换是PEX8724的另一大卖点。在许多高性能计算和实时应用中，如金融交易、工业自动化和网络加速，微秒级的延迟都可能产生显著影响。PEX8724的设计目标之一就是将数据在交换机内部的传输延迟降至最低。

数据包处理流水线

PEX8724内部采用高效的数据包处理流水线（packet processing pipeline）。当一个PCIe数据包进入交换机时，它会经过一系列优化的步骤，包括解析头部、查找路由表、修改地址以及重新打包等。这个过程被设计得尽可能并行化，减少了等待时间。此外，其内部的**缓存（buffer）**设计也经过精心优化，能够高效地存储和转发数据包，避免由于缓存溢出而导致的性能下降。

QoS (Quality of Service) 支持

为了进一步优化性能和满足不同应用的需求，PEX8724提供了QoS（服务质量）功能。通过在PCIe数据包的头部设置流量类别（Traffic Class），系统可以对不同类型的数据流进行优先级排序。例如，可以将实时性要求高的数据（如视频流或控制指令）设置为高优先级，而将批量传输的数据（如文件备份）设置为低优先级。PEX8724的内部调度器会根据这些优先级，优先处理高优先级的数据包，从而确保关键应用的性能不受影响。

链路聚合（Link Aggregation）

在某些需要更高带宽的应用中，PEX8724支持将多个下游端口的带宽聚合起来。例如，可以将两个x4端口聚合为一个逻辑上的x8端口，从而为某个特定的设备提供更高的带宽。这种功能对于连接需要超高带宽的设备，如高性能GPU或FPGA，非常有用。

4. PEX8724在不同应用场景中的深入分析

PEX8724的灵活性和高性能使其成为多种复杂系统设计的理想选择。以下是其几个典型的应用场景：

服务器和数据中心

在服务器主板设计中，PEX8724常被用作PCIe扩展器。现代服务器通常需要连接大量的网络接口卡（NIC）、固态硬盘（SSD）、GPU加速卡和HBA卡等。服务器的CPU通常只提供有限的PCIe通道。通过在主板上集成PEX8724，可以有效地将CPU的PCIe根端口扩展为多个可用的插槽，从而支持更多的设备。例如，一个CPU的x16端口可以连接到PEX8724，而PEX8724则可以扩展出多个x4或x8插槽，用于连接多块高性能NVMe SSD或100G网络卡。这种设计不仅提高了系统的可扩展性，还能通过其内部的交换功能，实现设备间的直接通信，减少CPU的负担。

存储系统

在存储阵列或**JBOD（Just a Bunch of Disks）**系统中，PEX8724发挥着至关重要的作用。它能够将一个上游的PCIe端口（通常连接到RAID控制器或SAS/SATA扩展卡）扩展为多个下游端口，每个端口再连接到一个或多个存储设备（如SAS、SATA或NVMe SSD）。通过这种方式，可以大大增加存储系统的容量，并允许数据在不同设备之间进行高效传输。例如，在NVMe over Fabrics（NVMe-oF）存储系统中，PEX8724可以作为后端交换机，将多个NVMe SSD连接到网络接口卡，实现超低延迟的远程存储访问。

工业自动化和嵌入式系统

在工业控制和嵌入式应用中，PEX8724常用于将主控CPU连接到多个不同的功能模块，如图像采集卡、运动控制卡、数据采集卡等。这些应用通常需要稳定的实时性能和高可靠性。PEX8724的低延迟、高级错误报告和热插拔功能使其成为这些系统的理想选择。例如，在机器视觉系统中，PEX8724可以将高速图像采集卡和图像处理GPU连接到主控CPU，确保图像数据能够以极高的吞吐量和极低的延迟进行传输和处理。

通信和网络设备

在通信设备，如路由器、交换机或基站中，PEX8724可以用于连接主控处理器与各种网络处理单元（NPU）、加速卡或高速网络接口。在这些应用中，高带宽和低延迟是核心要求。PEX8724的非阻塞架构和QoS功能能够确保不同类型的数据流（如控制流和数据流）得到适当的优先级处理，从而保证网络服务的质量。

5. PEX8724设计考量与系统集成

将PEX8724集成到系统中需要仔细考虑多个方面，以确保其性能得到充分发挥。

电源设计

PEX8724是一款高性能芯片，需要稳定的电源供应。设计师需要为其提供干净、低噪声的电源，并确保电源轨的电流容量足够。此外，散热设计也至关重要，尤其是在高负载和高温环境下。通常需要为芯片配备散热片或风扇，以确保其工作在规定的温度范围内。

PCB设计与信号完整性

由于PCIe信号是高速差分信号，印刷电路板（PCB）设计对信号完整性（Signal Integrity, SI）至关重要。需要遵循严格的设计规则，包括：

• 差分对走线：确保差分对的走线长度匹配，并保持恒定的阻抗（通常为100欧姆）。

• 层叠设计：采用多层PCB，并合理规划地平面和电源平面，以减少串扰和电磁干扰（EMI）。

• 过孔处理：尽量减少高速信号线上的过孔，如果必须使用，应采用背钻技术（back-drilling），以减少过孔残桩（stub）对信号反射的影响。

软件与固件支持

PEX8724的配置通常通过SMBus或I2C接口进行。系统固件（如BIOS或UEFI）需要正确地初始化和配置交换机，包括设置端口分配、链路速度以及错误报告机制等。此外，操作系统中的PCIe驱动程序也需要能够正确识别和管理交换机及其下游设备。

软件工具与开发环境

PLX（Broadcom）通常提供了一套完整的软件开发工具包（SDK），包括配置工具、诊断工具和示例代码，以帮助工程师进行系统集成和故障排除。这些工具可以帮助设计师快速验证端口配置、监控链路状态、查看错误日志，并对交换机的各种高级功能进行配置。

6. PEX8724与PCIe 3.0/4.0交换机的比较

尽管PEX8724是一款基于PCIe 2.0的优秀产品，但随着技术的进步，PCIe 3.0和PCIe 4.0交换机已成为主流。以下是对它们之间的一些关键比较：

• 带宽：PCIe 2.0的每条通道带宽为5 GT/s，编码效率为8b/10b，实际带宽为4 Gbps。而PCIe 3.0和PCIe 4.0则分别将每通道带宽提升到8 GT/s和16 GT/s，并采用更高效的128b/130b编码，实际带宽分别达到8 Gbps和16 Gbps。这意味着新一代交换机在相同通道数下，能提供数倍的吞吐量。

• 功耗与成本：通常，新一代交换机由于其更复杂的架构和更高的性能，功耗会更高，成本也相对较高。PEX8724在许多对成本和功耗敏感的应用中仍然是一个非常有竞争力的选择。

• 兼容性：新一代PCIe规范是向后兼容的，因此PCIe 3.0/4.0交换机通常可以与PCIe 2.0设备进行通信，但链路速度会降级到PCIe 2.0。

7. 结论与展望

PEX8724作为一款成熟、稳定、高性能的PCIe 2.0交换机，在过去和现在都为许多关键应用提供了强大的支持。其灵活的端口配置、非阻塞架构、低延迟特性以及丰富的可靠性功能，使其在服务器、存储、工业控制和通信等多个领域赢得了广泛认可。

尽管更先进的PCIe 3.0/4.0/5.0交换机正在逐步取代它，但在一些成本敏感、性能需求相对适中的应用中，PEX8724仍然是一个优秀且可靠的选择。它的成功证明了PLX（Broadcom）在PCIe交换机领域深厚的技术积累。理解PEX8724的架构和特性，不仅有助于我们更好地利用这款芯片进行系统设计，也为我们理解更复杂的现代PCIe交换机提供了坚实的基础。随着未来计算和数据处理需求的不断增长，PCIe交换机作为互连的基石，其重要性将继续提升，而PEX8724的历史地位也将在技术演进中被铭记。

在未来的技术发展中，我们可以预见PCIe交换机将继续向更高的带宽、更低的延迟、更强的可配置性以及更复杂的拓扑结构发展。例如，PCIe 6.0及更高版本将采用PAM4编码，进一步提升每通道的带宽，而CXL（Compute Express Link）等新兴协议也将与PCIe生态系统紧密结合，共同推动数据中心和高性能计算的革新。PEX8724作为这一宏大技术演进中的一个重要节点，其成功经验和设计理念将持续影响着未来的创新。