德州儀器作者: Connie Lu1
將近二十年，快捷外設互聯標準 (PCIe) 規格一直是消費和工業應用的互聯標準，支援處理器、固態磁碟機和各種技術或端點之間的高速介面。這個規格由於下列因素而獲得廣泛採用：
- PCIe 生態系統是非專有規格，提供許多設計人員樂於使用的開放資源。
- 不同序列週邊設備介面適用的 PCIe 通訊協定具有超低延遲和頻寬可擴展性。每個通道的 PCIe 處理量在每一代都持續翻倍，而且可以彈性擴展到不同的連結寬度。例如，可以將具有 64 GBps 處理量的 16 通道 (x16) PCIe 5.0 配置分叉或拆分為具有 16 GBps 處理量的四個 4 通道 (x4) 配置，或十六通道 (x1) 配置處理量為 4 GBps。從單通道通訊一直到 16 通道配置的許多各種應用都由於這種彈性而使用 PCIe。
現在幾乎全部需要處理資料的技術都需要更快的資料傳輸速率，設計人員必須在滿足 PCIe 規格之前克服複雜的熱設計和訊號衰減等訊號完整性挑戰。過孔、劣質印刷電路板 (PCB) 材料、連接器和電纜皆對資料容限有重大影響，導致接收到的資料發生錯誤。在 PCIe 連結中加入轉接驅動器等訊號調節器有助於進行無錯誤而且更可靠的資料傳輸。
本文將探究關於 PCIe 轉接驅動器的三個常見誤解。
迷思 1：PCIe 轉接驅動器的互通性由於各種不同的端點而相當有挑戰性。
外設互聯標準特別興趣小組 (PCI-SIG) 負責管理 PCIe 資料傳輸的標準化規格。PCI-SIG 由 1,000 多家專門開發高速互通產品的不同公司成員組成，並且舉辦合規性研討會，各家公司可以在這些研討會上確認本身產品符合 PCIe 規格的最重要方面。這個過程提供與其他根複合體或端點的廣泛互通性測試，以便公司可以瞭解本身 PCIe 訊號調節器的全部功能。例如，TI 的 DS320PR810 轉接驅動器通過不同根複合體和端點的 PCI-SIG 一致性測試。雖然內部測試可以驗證 PCIe 規格的重要層面，不過通過 PCI-SIG 合規性測試才能更明確證實產品能力。
迷思 2：為 PCIe 轉接驅動器找到正確的設定是需要許多手動操作的過程。
線性轉接驅動器的設計很簡單，因為這些轉接驅動器不需要對裝置的物理層或連接埠進行配置或初始化。找到正確的連續時間線性均衡 (CTLE) 設定不需要手動嘗試全部的 CTLE 和增益設定。有多種工具和方法可供硬體設計人員快速找到最佳設定。
設計人員可以運用輸入/輸出緩衝器資訊規格演算法建模介面 (IBIS-AMI) 模擬轉接驅動器上的前置和後置通道效應，並提供接近真實連結特性的結果眼圖。模擬模型代表整個通道 (包括發射器和接收器) 的詳細類比電氣行為。使用者也能夠使用這個模擬器瀏覽整個 CTLE 設定並找到最佳設定。
調整轉接驅動器的另一個方法是透過網路分析器測量傳輸通道在基頻下的插入損耗，並找出補償插入損耗測量的 CTLE 設定。例如，在設計 PCIe 5.0 解決方案時，您可以在 16 GHz 下測量轉接驅動器輸入端的插入損耗。如果插入損耗為 10 dB，則 CTLE 設定的起點應允許 +10 dB 的增益，才能補償插入損耗。一般而言，這種調整方法有助於您快速確定適當的初始 CTLE 設定，並調整訊號路徑中的最佳容限。
迷思 3： PCIe 轉接驅動器應放置在連結的中間，因此設計較無彈性。
許多不同的因素會導致系統中的訊號衰減。在各種 PCB 材料和走線長度、用於訊號路由的過孔數量以及不同的連接器特性之間，轉接驅動器的前置和後置通道損耗可能會有所不同。放置轉接驅動器的位置取決於系統的損耗情況 – 放置不一定要在連結的中間才能實現最佳解決方案。一些轉接驅動器採用不同的配置和不同的通道數，藉以達到設計的最大彈性。採用單向配置而不是通道配置之後，設計人員能夠將轉接驅動器放置在盡可能靠近端點的位置，藉此達到更長的距離。
在 PCIe 插槽有限的應用中，一些轉接驅動器具有內建多工配置，可以支援多個根複合體和端點。例如，TI 的 SN75LVPE5412 線性轉接驅動器可以支援根複合體，例如中央處理器與兩個固態磁碟機通訊，在兩個端點之間使用 SEL 針腳多工資料擷取。這種配置在空間有限的 PC 應用中很常用。由於轉接驅動器尺寸小型化，而且功耗低，因此不僅從通訊的角度解決空間限制問題，而且也不需要使用磁頭槽或大型的焊盤，充分滿足電路板高度要求。
此外，由於轉接驅動器的延遲相當低，只有數百皮秒，因此您不需要考量或等待根複合體和端點之間的延遲，轉接驅動器能夠確實發揮處理能力，以高效率執行更多任務。訊號調節器能夠在沒有延遲限制的情況下提高處理能力，您的設計將達到更大的彈性。
讓我們觀察實際應用的轉接驅動器。
在圖 1a 中，前置通道損耗很明顯，眼圖是閉合圖形。這表示根複合體或端點無法瞭解任何有意義的資料。您可以選擇將 PCB 升級為超低損耗材料 (成本更高) 並且可能打開眼圖，或在連結中加入轉接驅動器。在連結中加入轉接驅動器後，圖 1b 顯示的開眼圖表示訊號品質獲得改善，訊號容限相當充足。
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(a) (b)
圖 1：PCIe 4.0 轉接驅動器的前置 (a) 和後置通道 (b) 訊號
結論
由於 PCIe 轉接驅動器與協定無關，因此這些轉接驅動可以支援在資料傳輸速率要求範圍內使用 PCIe 規格硬體 (例如 CXL、SAS 和 SATA) 的任何協定。藉由多協定支援，轉接驅動器可用於需要訊號調節的多種不同高速應用。 雖然損耗極低的高成本 PCB 材料有助於電路板的全部連結傳輸整體改善的訊號，不過系統中只有少數連結需要更多容限時，您可以視需要加入轉接驅動器。不需要升級整個 PCB 材料，加入轉接驅動器也就可以節省更多成本，而且這也是提高訊號品質的簡單替代方法。
其他資源
參考 TI 的 PCIe 訊號調節解決方案，深入瞭解訊號衰減挑戰
