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作者：Tom Wilson
正如大多数读者目前所了解的， PCI E x p r e s s ® （PCIe）是一个外设连接接口，用于取代 PCI、 PCI-X 和 AGP 连接电脑和服务器架构中的 I/O。与 前代外设接口不同的是 PCIe 并不是一条仲裁并行总线，而 是一种点对点的串行接口。它的设计初衷旨在使其不影响 基于 PCI 的外设的传统固件的同时，还可为未来电脑和服务 器提供更高的带宽和更强扩充性的互连能力。然而，目前 针对局域网和存储设备等安装的传统 I/O 外设数量却十分惊 人。这便需要采用专门的桥接，以确保与基于 PCIe 的新型 主板架构相连。尽管从 PCI 到 PCIe 的软件切换可能是无逢 的，但硬件切换却又完全是另外一回事。
在本文中，我们将重点关注传统的 PCI 和 PCI-X 外设问题， 并详细探讨使这些接口与 PCIe 交换架构相连的要求。PCI 推出于 20 世纪 90 年代早期，随着时间的推移，如今它已 扩展为一个 64 位、66 MHz 的互连接口。在此演变过程 中，PCI-X 挑战原有标准，支持高达 133-MHz 的主频，并 将横跨总线的 I/O 带宽增加了一倍。此外，由于PCIe 允许 部署几条不同的通道（如 x1、x4、x8 等），因而有可能 将 PCIe 与这些不同类型的传统 I/O 相匹配，这就使得基 于 PCI 的外设的桥接要求与基于 PCI-X 的大相径庭。例如， PCI 外设的吞吐量与 x1 PCIe 十分匹配，而 PCI-X 外设则需要 匹配 x 4 PCIe。虽然这些带宽匹配显然可见，但 x1 PCIe 至 PCI 与 x4 PCIe 至 PCI-X的桥接挑战相比却不甚明显。这样系 统配置也就相差悬殊，并且需要在功耗、性能和成本方面做 出一些让步。下面我们先对x1 PCIe 至 PCI 桥接进行检查， 然后再检查 x4 PCIe 至 PCI-X 桥接，并且针对每一情况都举 出具体的外设实例。我们将用事实证明，桥接要求不只是简 单的协议映射，更需要同时满足实际的市场和应用需求。
正向和反向桥接
其实，电脑或服务器架构的配置等级十分鲜明，其中由一 颗主 CPU 控制系统及其所有 I/O；一个典型的现代主板架构 提供 PCI Express 扩展插槽，意即带有 PCI 或 PCI-X 的传统 I/O 必须桥接至 PCI Express。此类桥接被称为正向桥接， 其中 PCIe 位于桥接主机端（主要端）。而嵌入式应用通常 需要进行反向桥接，其中 PCI-X 或 PCI 处在与基于 PCIe 的 I/O 相连的主机端上。不过，目前这些嵌入式应用也开始向 基于 PCI Express 的处理器方向发展。因此，正向桥接在这 些应用中的使用正变得日益普及。本文之所以将关注重点 放在正向桥接上，即是因为它与将传统 I/O 与基于 PCIe 的新 型主板和处理器相连接的问题直接相关。
PCI Express x1 至 PCI 桥接
当前大量低带宽外设仍然采用 PCI 接口。其中包括：声卡、 USB 2.0 主卡适配器和数字录像卡（DVR）。在本文中，我 们将 DVR 作为基于 PCI 的外设的一个典型范例，以此来考 虑此类外设的市场驱动力。目前市面上的大多数 DVR 适配 卡都是基于 PCI 的。并且现在的主板也越来越倾向于通过 扩展插槽提供 PCIe 桥接，因而，这就需要针对 PCIe 的本 地 DVR 卡进行设计。尽管现有 DVR 设计通常适合该功能， 但是它却只能实现简单的 PCIe 连接，而不能有效地增强带 宽。对于 DVR来说，由于采用了其它许多基于 PCI 的外设， 因而需要遵守如下的一些重要要求：
1. 主板覆盖率（接入尽可能多的新主板）
2. 快速的上市速度（这是使用桥接，而非等待基于 PCIe 本地 DVR 芯片推出的主要原因。）
3. 低成本（包括开发和物料成本）
4. 高性能
市场覆盖率
一项重要的考虑便是当前的 PCIe/PCI 桥接如何能够与 PCIe 规范保持一致。鉴于PCIe Base 1.1 是最新的规范，因此 新的操作系统版本，尤其是 Windows Vista 等必须配备符 合 1.1 的 PCIe 外设。一张采用符合 PCIe 1.1 规范的 PCIe/ PCI 桥接的 DVR 卡将是未来新型主板的理想之选。该一致性 还是 PCIe/PCI 桥接解决方案应该具备的重要特性。此外， 桥接还应接受有关不同主板制造商产品与 BIOS 版本的互操 作性测试。当然，此处所提及的是广义上的互操作性，它 同时囊括了硬件和软件两个方面。
最低成本
成本大幅降低，远远低于桥接芯片自身的价格。例如，通 过解除加电顺序限制，以及限定所需的电源轨道数量，不 仅可以简化桥接设计，同时还可节省大量的系统级成本。 除了价格优势外，经验证的硬件和软件工具的加入，也可 达到降低开发成本和物料成本的功效。此外，更轻松的主 板设计和布局还可缩短设计周期。
高性能
由于性能在 PCI 外设中并非总是主要因素，这样 DVR 厂商 便可通过确保桥接接口无性能瓶颈问题这一优势，攫取更 多市场份额。一般来讲，从 PCI 外设到根联合体上内存的 写入，通常通过桥接内部的写入缓冲器来进行，以便克服 桥接自身的性能缺陷。但是，读取却几乎总是出现问题。
为了解决这一问题，我们可以提供一项创新特性。这样， PCIe 读取的数据便可在桥接内存储，并通过之后的 PCI 访 问读取。事实上，与缺少这一缓冲特性的桥接相比，采用 这种可选的“短期缓冲”特性的桥接可带来 PCI 至 PCIe 高 达 5 倍的读取性能提升。此外，通过最大限度的缩短读取延 迟，还可进一步提升读取性能。值得一提的是，在桥接延 迟方面，应以 200 纳秒（ns）及以下为比较基准。
PCI Express x4 至 PCI-X 桥接
PCIe 至 PCI-X 桥接的一个重要实例即是在新型服务器上采 用 PCIe 扩展卡。并由机架式服务器为附加 I/O 插卡提供额 外的插槽。有了扩展卡，插卡便能以并行方式（不同于服 务器架构中常见的垂直安装）插入主板。因此，扩展卡可 拥有一个桥接，来连接位于卡边缘的 x1 或 x4 PCIe，以及 与卡上用于传统外设（如：双千兆位以太网卡）的 PCI-X。 这些对于单插槽和双插槽扩展卡而言是一项常见的应用， 可以允许旧的基于 PCI -X 的 I /O 插入 PCIe 插槽。但是对 于 PCI 桥接来说，PCI-X 桥接在应用和市场层面却有多个 要求。
高性能
与上述 PCI 桥接相比之下，性能在 PCIe 至 PCI-X 桥接应用 中起着更为重要的作用。基于 PCI-X 的外设不只需要更高 的带宽，它在网络连接和存储应用中还含着重要的性能限 制作用。因此，x4 PCIe 至 PCI-X 桥接的性能也就随之变得 关键性。当然，桥接的性能可通过测量上行和下行数据流 获得，这里就要牵涉到吞吐量和延迟两项指标。当前市面 上，有多种选择来实现该桥接功能。因此，在选择具体选 项时应重点关注性能标准。通常，特殊桥接通过桥接进行 关键任务读取和写入的能力（延迟和吞吐量方面）可超出 其它桥接 30% 到 40%。
其它考虑事项
对于上述 x1 PCIe 桥接而言，市场覆盖率和成本仍然是其 重要的参考因素。这里，市场覆盖率仍与最新桥接是否符 合最新的 PCIe 规范水平（PCI Express Base 1.1）直接相 关。如可达到上述规范，该桥接即可对最新服务器平台进 行最广泛的访问。与此同时，多种服务器平台之间的互操 作性在评估各种同类桥接的适用性方面也很重要。此外， 由于该成本还远远高于组件级价格，因而需要创新方法来 降低总体主板物料成本。
总结
桥接设计方面还有许多挑战有待征服。这将有助于积累 桥接不同标准至 PCI 和 PCI-X（如：RapidIO®、HyperTransport ™、Power Architecture™、XScale 等）的专业技术和 经验。通过专攻系统互连领域，有些公司已在其桥接和交 换解决方案中采用了创新方法，从而大幅提升了带宽，并 降低了延迟。与此同时，他们还更加关注系统级成本和 节能领域的发展。例如：Tsi381™ 和 Tsi384™ 桥接分别对 应 x1 PCIe 和 x4 PCIe。Tsi381 和 Tsi384 在只采用两个电 源，没有加电顺序限制的情况下，在成本、能效、主板空 间和设计简易性方面具备巨大优势（如图 1 所示）。这些设 备凭借出众的性能、解决方案成本和卓越的质量，正在新 型 PCIe 适配卡设计方面发挥着关键的作用.
图 1：PCIe 至 PCI/X 解决方案举例。
作者简介
Tom Wilson
产品管理与市场推广总监
tom.wilson@tundra.com
Tom Wilson 拥有加拿大渥太华卡尔顿大学的理学学士学位和理学博士 学位。在过去的 14 年间，他先后在腾华半导体公司（Tundra Semiconductor） 担任不同要职，主要致力于引进新型系统的互连产品。 Tom 现任腾华半导体公司产品管理与市场推广总监。
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