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

在當(dāng)今的電子設(shè)備設(shè)計(jì)領(lǐng)域，PCI Express（PCIe）技術(shù)憑借其高速、高效的數(shù)據(jù)傳輸能力，成為了眾多高性能應(yīng)用的首選。IDT的89HPES32NT24BG2作為一款PCIe Gen2系統(tǒng)互連交換機(jī)，在多主機(jī)或智能I/O系統(tǒng)中展現(xiàn)出了卓越的性能。今天，我們就來深入了解一下這款產(chǎn)品。

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一、設(shè)備概述

89HPES32NT24BG2是IDT PCI Express交換解決方案家族的一員，專為高性能應(yīng)用中的PCI Express Gen2數(shù)據(jù)包交換而優(yōu)化。它擁有32個(gè)通道和24個(gè)端口，能夠支持多個(gè)同時(shí)進(jìn)行的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)流量，適用于服務(wù)器、存儲(chǔ)、通信和嵌入式系統(tǒng)等需要跨域通信的多主機(jī)或智能I/O系統(tǒng)。

二、關(guān)鍵特性

1. 高性能無阻塞交換架構(gòu)

• 靈活的端口配置：這是一款32通道、24端口的PCIe交換機(jī)，支持多種端口配置方式。其集成的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，采用低延遲直通架構(gòu)，支持一個(gè)虛擬通道和八個(gè)流量類別。
• 端口配置靈活性：擁有四個(gè)x8堆棧，每個(gè)堆棧都可以靈活配置。例如，可配置為一個(gè)x8端口、兩個(gè)x4端口、四個(gè)x2端口、八個(gè)x1端口，或者上述通道寬度的多種組合。同時(shí)，支持每個(gè)端口的自動(dòng)鏈路寬度協(xié)商（x8 ? x4 ? x2 ? x1）、交叉鏈路支持、自動(dòng)通道反轉(zhuǎn)以及每個(gè)通道的SerDes配置，包括去加重、接收均衡和驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度等。

2. 創(chuàng)新的交換機(jī)分區(qū)功能

• 獨(dú)立分區(qū)設(shè)計(jì)：支持多達(dá)8個(gè)完全獨(dú)立的交換機(jī)分區(qū)，這些分區(qū)在同一設(shè)備中邏輯上相互獨(dú)立?？膳渲孟掠味丝谠O(shè)備編號(hào)，支持交換機(jī)分區(qū)的動(dòng)態(tài)重新配置，包括動(dòng)態(tài)端口重新配置（下游、上游、非透明橋）、端口在分區(qū)之間的動(dòng)態(tài)遷移以及上游端口在交換機(jī)分區(qū)內(nèi)和之間的移動(dòng)。
• 非透明橋接（NTB）支持：每個(gè)交換機(jī)最多支持8個(gè)NT端點(diǎn)，每個(gè)端點(diǎn)可以與其他交換機(jī)分區(qū)、外部PCIe域或CPU進(jìn)行通信。每個(gè)NT端點(diǎn)有6個(gè)BAR，支持32/64位基地址和限制地址轉(zhuǎn)換，其中兩個(gè)BAR（BAR2和BAR4）支持基于查找表的地址轉(zhuǎn)換。此外，還擁有32個(gè)入站和出站門鈴寄存器、4個(gè)入站和出站消息寄存器，支持多達(dá)64個(gè)主設(shè)備、無限數(shù)量的未完成事務(wù)、組播，符合PCI - SIG組播標(biāo)準(zhǔn)，支持64個(gè)組播組，支持跨非透明端口的組播以及ECRC再生。

3. 集成直接內(nèi)存訪問（DMA）控制器

• 高效數(shù)據(jù)傳輸：支持多達(dá)2個(gè)DMA上游端口，每個(gè)端口有2個(gè)DMA通道，支持32位和64位內(nèi)存到內(nèi)存的傳輸。采用飛傳翻譯方式，與緩沖方式相比，可降低延遲并提高性能，支持任意源地址和目標(biāo)地址對(duì)齊，支持使用非透明端點(diǎn)進(jìn)行分區(qū)內(nèi)和分區(qū)間的數(shù)據(jù)傳輸，還支持向組播組進(jìn)行DMA傳輸，基于鏈表描述符操作，具有靈活的尋址模式，包括線性尋址和常量尋址。

4. 服務(wù)質(zhì)量（QoS）

• 端口仲裁與計(jì)量：采用端口仲裁（輪詢）和請(qǐng)求計(jì)量（IDT專有功能，可平衡交換機(jī)端口之間的帶寬以實(shí)現(xiàn)最大系統(tǒng)吞吐量），結(jié)合高性能交換機(jī)核心架構(gòu)（具有大緩沖區(qū)的組合輸入輸出排隊(duì)（CIOQ）交換機(jī)架構(gòu)），確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝院头€(wěn)定性。
• 時(shí)鐘與熱插拔：支持100 MHz和125 MHz參考時(shí)鐘頻率，具有靈活的端口時(shí)鐘模式，包括公共時(shí)鐘、非公共時(shí)鐘以及帶有SSC（擴(kuò)頻設(shè)置）和端口參考時(shí)鐘輸入的本地端口時(shí)鐘。所有端口都配備熱插拔控制器，支持所有下游交換機(jī)端口的熱插拔，所有端口都可以使用低成本外部I2C I/O擴(kuò)展器支持熱插拔，可配置的存在檢測(cè)支持卡和電纜應(yīng)用，具有用于熱插拔事件通知的GPE輸出引腳，可啟用SCI/SMI生成以支持傳統(tǒng)操作系統(tǒng)，I/O支持熱插拔。

5. 電源管理與可靠性

• 多狀態(tài)支持：支持D0、D3hot和D3電源管理狀態(tài)，采用主動(dòng)狀態(tài)電源管理（ASPM），支持L0、L0s、L1、L2/L3 Ready和L3鏈路狀態(tài)，可配置的L0s和L1進(jìn)入定時(shí)器允許進(jìn)行性能/節(jié)能調(diào)整。
• SerDes節(jié)能：支持低擺幅/半擺幅SerDes操作，未使用端口的SerDes會(huì)關(guān)閉，未使用通道的SerDes會(huì)進(jìn)入低功耗狀態(tài)。此外，還具備可靠性、可用性和可維護(hù)性（RAS）特性，包括ECRC支持、所有端口的AER、所有內(nèi)部RAM的SECDED ECC保護(hù)、端到端數(shù)據(jù)路徑奇偶校驗(yàn)保護(hù)、校驗(yàn)和串行EEPROM內(nèi)容保護(hù)以及在鏈路上下轉(zhuǎn)換時(shí)生成中斷（INTx或MSI）的能力。

6. 初始化與配置

• 多種初始化方式：支持根（BIOS、OS或驅(qū)動(dòng)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（無需外部組件），支持系統(tǒng)內(nèi)串行EEPROM初始化/編程。

7. 片上溫度傳感器

• 溫度監(jiān)控：溫度范圍為0至127.5攝氏度，具有三個(gè)可編程溫度閾值，帶有過熱和過冷溫度閾值警報(bào)，可自動(dòng)記錄最高或最低溫度。

8. 通用輸入/輸出

• 多功能引腳：提供9個(gè)通用輸入/輸出（GPIO）引腳，可單獨(dú)配置為通用輸入、通用輸出或備用功能。所有GPIO引腳都與其他片上功能共享，這些備用功能可以通過軟件、SMBus從接口或串行配置EEPROM啟用。

三、電氣特性

1. 系統(tǒng)時(shí)鐘參數(shù)

輸入?yún)⒖紩r(shí)鐘頻率范圍為100 - 125 MHz，對(duì)時(shí)鐘的上升沿速率、下降沿速率、差分輸入高電壓、差分輸入低電壓等參數(shù)都有明確要求。同時(shí)，對(duì)時(shí)鐘的抖動(dòng)、占空比、上升/下降匹配等也有相應(yīng)的規(guī)范。

2. AC定時(shí)特性

包括PCIe發(fā)送和接收的單位間隔、最小發(fā)送眼寬、最大抖動(dòng)時(shí)間、發(fā)送和接收的上升/下降時(shí)間、空閑時(shí)間等參數(shù)，在Gen1和Gen2模式下都有具體的數(shù)值要求。

3. 推薦工作溫度和電源電壓

• 溫度范圍：商業(yè)溫度范圍為0°C至+70°C環(huán)境溫度，工業(yè)溫度范圍為 - 40°C至+85°C環(huán)境溫度。
• 電源電壓：不同的電源供應(yīng)（如核心電源、I/O電源、PCIe模擬電源等）在不同的溫度環(huán)境下都有推薦的最小、典型和最大電壓值，并且對(duì)電源噪聲也有一定的要求。

4. 功耗

典型功耗和最大功耗在不同的端口配置（如全擺幅和半擺幅）和不同的電源電壓下有所不同。通過關(guān)閉未使用的端口可以降低功耗，并且在Gen1模式下運(yùn)行也可以節(jié)省一定的功率。

5. 熱特性

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(jì)師需要根據(jù)公式 (theta{J A}=left(T{J(max )}-T_{A(max )}right) / P) 來確保有效結(jié)到環(huán)境的熱阻在允許范圍內(nèi)，可以通過添加散熱片、選擇合適的粘合劑等方式來實(shí)現(xiàn)。

6. DC電氣特性

包括PCIe發(fā)送和接收的差分輸出電壓、直流共模電壓、回波損耗、輸入阻抗等參數(shù)，在Gen1和Gen2模式下都有相應(yīng)的規(guī)范。同時(shí)，對(duì)其他I/O的輸出電流、輸入電壓等也有要求。

7. 絕對(duì)最大電壓額定值

雖然提供了絕對(duì)最大工作電壓，但為了保證設(shè)備的正常和可靠運(yùn)行，不應(yīng)超過推薦的工作電壓。

8. SMBus特性

對(duì)SMBus的SDA和SCL引腳的直流參數(shù)（如輸入低電壓、輸入高電壓、輸出低電壓等）以及AC定時(shí)數(shù)據(jù)（如時(shí)鐘頻率、總線空閑時(shí)間、數(shù)據(jù)保持時(shí)間等）都有詳細(xì)的規(guī)范。

四、引腳說明

詳細(xì)列出了各種信號(hào)的引腳類型、名稱、描述以及引腳特性。例如，PCI Express接口引腳用于數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，參考時(shí)鐘引腳提供系統(tǒng)所需的時(shí)鐘信號(hào)，SMBus接口引腳用于與外部設(shè)備進(jìn)行通信，通用輸入/輸出引腳可實(shí)現(xiàn)多種功能，系統(tǒng)引腳用于設(shè)備的復(fù)位和控制等。同時(shí)，還對(duì)引腳的內(nèi)部電阻、輸入輸出類型等特性進(jìn)行了說明，并提醒設(shè)計(jì)師注意未使用引腳的處理方式，以避免影響設(shè)備的正常運(yùn)行。

五、訂購(gòu)信息

提供了不同的產(chǎn)品組合，包括不同的設(shè)備修訂版、封裝類型和溫度范圍，方便設(shè)計(jì)師根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇。

六、總結(jié)

IDT 89HPES32NT24BG2以其豐富的功能和卓越的性能，為高性能PCIe系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了一個(gè)強(qiáng)大的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，電子工程師們需要根據(jù)具體的系統(tǒng)需求，合理配置端口、優(yōu)化電源管理、確保熱特性符合要求，以充分發(fā)揮這款交換機(jī)的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，在設(shè)計(jì)過程中，要嚴(yán)格按照數(shù)據(jù)手冊(cè)中的電氣特性和引腳說明進(jìn)行操作，以保證設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性。大家在使用這款產(chǎn)品的過程中，有沒有遇到什么特別的問題或者有什么獨(dú)特的設(shè)計(jì)思路呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。