PCIe總線使用的信號

　　PCIe設備使用兩種電源信號供電，分別是Vcc與Vaux，其額定電壓為3.3V。其中Vcc為主電源，PCIe設備使用的主要邏輯模塊均使用Vcc供電，而一些與電源管理相關的邏輯使用Vaux供電。在PCIe設備中，一些特殊的寄存器通常使用Vaux供電，如Sticky Register，此時即使PCIe設備的Vcc被移除，這些與電源管理相關的邏輯狀態和這些特殊寄存器的內容也不會發生改變。

　　在PCIe總線中，使用Vaux的主要原因是為了降低功耗和縮短系統恢復時間。因為Vaux在多數情況下并不會被移除，因此當PCIe設備的Vcc恢復后，該設備不用重新恢復使用Vaux供電的邏輯，從而設備可以很快地恢復到正常工作狀狀態。

　　PCIe鏈路的最大寬度為×32，但是在實際應用中，×32的鏈路寬度極少使用。在一個處理器系統中，一般提供×16的PCIe插槽，并使用PETp0~15、PETn0~15和PERp0~15、PERn0~15共64根信號線組成32對差分信號，其中16對PETxx信號用于發送鏈路，另外16對PERxx信號用于接收鏈路。除此之外PCIe總線還使用了下列輔助信號。

　　1 PERST#信號

　　該信號為全局復位信號，由處理器系統提供，處理器系統需要為PCIe插槽和PCIe設備提供該復位信號。PCIe設備使用該信號復位內部邏輯。當該信號有效時，PCIe設備將進行復位操作。PCIe總線定義了多種復位方式，其中Cold Reset和Warm Reset這兩種復位方式的實現與該信號有關，詳見第1.5節。

　　2 REFCLK+和REFCLK-信號

　　在一個處理器系統中，可能含有許多PCIe設備，這些設備可以作為Add-In卡與PCIe插槽連接，也可以作為內置模塊，與處理器系統提供的PCIe鏈路直接相連，而不需要經過PCIe插槽。PCIe設備與PCIe插槽都具有REFCLK+和REFCLK-信號，其中PCIe插槽使用這組信號與處理器系統同步。

　　在一個處理器系統中，通常采用專用邏輯向PCIe插槽提供REFCLK+和REFCLK-信號，如圖42所示。其中100Mhz的時鐘源由晶振提供，并經過一個“一推多”的差分時鐘驅動器生成多個同相位的時鐘源，與PCIe插槽一一對應連接。

　　PCIe插槽需要使用參考時鐘，其頻率范圍為100MHz±300ppm。處理器系統需要為每一個PCIe插槽、MCH、ICH和Switch提供參考時鐘。而且要求在一個處理器系統中，時鐘驅動器產生的參考時鐘信號到每一個PCIe插槽（MCH、ICH和Swith）的距離差在15英寸之內。通常信號的傳播速度接近光速，約為6英寸/ns，由此可見，不同PCIe插槽間REFCLK+和REFCLK-信號的傳送延時差約為2.5ns。

　　當PCIe設備作為Add-In卡連接在PCIe插槽時，可以直接使用PCIe插槽提供的REFCLK+和REFCLK-信號，也可以使用獨立的參考時鐘，只要這個參考時鐘在100MHz±300ppm范圍內即可。內置的PCIe設備與Add-In卡在處理REFCLK+和REFCLK-信號時使用的方法類似，但是PCIe設備可以使用獨立的參考時鐘，而不使用REFCLK+和REFCLK-信號。

　　在PCIe設備配置空間的Link Control Register中，含有一個“Common Clock Configuration”位。當該位為1時，表示該設備與PCIe鏈路的對端設備使用“同相位”的參考時鐘；如果為0，表示該設備與PCIe鏈路的對端設備使用的參考時鐘是異步的。

　　在PCIe設備中，“Common Clock Configuration”位的缺省值為0，此時PCIe設備使用的參考時鐘與對端設備沒有任何聯系，PCIe鏈路兩端設備使用的參考時鐘可以異步設置。這個異步時鐘設置方法對于使用PCIe鏈路進行遠程連接時尤為重要。

　　在一個處理器系統中，如果使用PCIe鏈路進行機箱到機箱間的互連，因為參考時鐘可以異步設置，機箱到機箱之間進行數據傳送時僅需要差分信號線即可，而不需要參考時鐘，從而極大降低了連接難度。

　　3 WAKE#信號

　　當PCIe設備進入休眠狀態，主電源已經停止供電時，PCIe設備使用該信號向處理器系統提交喚醒請求，使處理器系統重新為該PCIe設備提供主電源Vcc。在PCIe總線中，WAKE#信號是可選的，因此使用WAKE#信號喚醒PCIe設備的機制也是可選的。值得注意的是產生該信號的硬件邏輯必須使用輔助電源Vaux供電。

　　WAKE#是一個Open Drain信號，一個處理器的所有PCIe設備可以將WAKE#信號進行線與后，統一發送給處理器系統的電源控制器。當某個PCIe設備需要被喚醒時，該設備首先置WAKE#信號有效，然后在經過一段延時之后，處理器系統開始為該設備提供主電源Vcc，并使用PERST#信號對該設備進行復位操作。此時WAKE#信號需要始終保持為低，當主電源Vcc上電完成之后，PERST#信號也將置為無效并結束復位，WAKE#信號也將隨之置為無效，結束整個喚醒過程。

　　PCIe設備除了可以使用WAKE#信號實現喚醒功能外，還可以使用Beacon信號實現喚醒功能。與WAKE#信號實現喚醒功能不同，Beacon使用In-band信號，即差分信號D+和D-實現喚醒功能。Beacon信號DC平衡，由一組通過D+和D-信號生成的脈沖信號組成。這些脈沖信號寬度的最小值為2ns，最大值為16us。當PCIe設備準備退出L2狀態（該狀態為PCIe設備使用的一種低功耗狀態）時，可以使用Beacon信號，提交喚醒請求。

　　4 SMCLK和SMDAT信號

　　SMCLK和SMDAT信號與x86處理器的SMBus（System Mangement Bus）相關。SMBus于1995年由Intel提出，SMBus由SMCLK和SMDAT信號組成。SMBus源于I2C總線，但是與I2C總線存在一些差異。

　　SMBus的最高總線頻率為100KHz，而I2C總線可以支持400KHz和2MHz的總線頻率。此外SMBus上的從設備具有超時功能，當從設備發現主設備發出的時鐘信號保持低電平超過35ms時，將引發從設備的超時復位。在正常情況下，SMBus的主設備使用的總線頻率最低為10KHz，以避免從設備在正常使用過程中出現超時。

　　在SMbus中，如果主設備需要復位從設備時，可以使用這種超時機制。而I2C總線只能使用硬件信號才能實現這種復位操作，在I2C總線中，如果從設備出現錯誤時，單純通過主設備是無法復位從設備的。

　　SMBus還支持Alert Response機制。當從設備產生一個中斷時，并不會立即清除該中斷，直到主設備向0b0001100地址發出命令。

　　上文所述的SMBus和I2C總線的區別還是局限于物理層和鏈路層上，實際上SMBus還含有網絡層。SMBus還在網絡層上定義了11種總線協議，用來實現報文傳遞。

　　SMBus在x86處理器系統中得到了大規模普及，其主要作用是管理處理器系統的外部設備，并收集外設的運行信息，特別是一些與智能電源管理相關的信息。PCI和PCIe插槽也為SMBus預留了接口，以便于PCI/PCIe設備與處理器系統進行交互。

　　在Linux系統中，SMBus得到了廣泛的應用，ACPI也為SMBus定義了一系列命令，用于智能電池、電池充電器與處理器系統之間的通信。在Windows操作系統中，有關外部設備的描述信息，也是通過SMBus獲得的。

　　5 JTAG信號

　　JTAG（Joint Test Action Group）是一種國際標準測試協議，與IEEE 1149.1兼容，主要用于芯片內部測試。目前絕大多數器件都支持JTAG測試標準。JTAG信號由TRST#、TCK、TDI、TDO和TMS信號組成。其中TRST#為復位信號；TCK為時鐘信號；TDI和TDO分別與數據輸入和數據輸出對應；而TMS信號為模式選擇。

　　JTAG允許多個器件通過JTAG接口串聯在一起，并形成一個JTAG鏈。目前FPGA和EPLD可以借用JTAG接口實現在線編程ISP（In-System Programming）功能。處理器也可以使用JTAG接口進行系統級調試工作，如設置斷點、讀取內部寄存器和存儲器等一系列操作。除此之外JTAG接口也可用作“逆向工程”，分析一個產品的實現細節，因此在正式產品中，一般不保留JTAG接口。

　　6 PRSNT1#和PRSNT2#信號

　　PRSNT1#和PRSNT2#信號與PCIe設備的熱插拔相關。在基于PCIe總線的Add-in卡中，PRSNT1#和PRSNT2#信號直接相連，而在處理器主板中，PRSNT1#信號接地，而PRSNT2#信號通過上拉電阻接為高。PCIe設備的熱插拔結構如圖43所示。

　　如上圖所示，當Add-In卡沒有插入時，處理器主板的PRSNT2#信號由上拉電阻接為高，而當Add-In卡插入時主板的PRSNT2#信號將與PRSNT1#信號通過Add-In卡連通，此時PRSNT2#信號為低。處理器主板的熱插拔控制邏輯將捕獲這個“低電平”，得知Add-In卡已經插入，從而觸發系統軟件進行相應地處理。

　　Add-In卡拔出的工作機制與插入類似。當Add-in卡連接在處理器主板時，處理器主板的PRSNT2#信號為低，當Add-In卡拔出后，處理器主板的PRSNT2#信號為高。處理器主板的熱插拔控制邏輯將捕獲這個“高電平”，得知Add-In卡已經被拔出，從而觸發系統軟件進行相應地處理。

　　不同的處理器系統處理PCIe設備熱拔插的過程并不相同，在一個實際的處理器系統中，熱拔插設備的實現也遠比圖43中的示例復雜得多。值得注意的是，在實現熱拔插功能時，Add-in Card需要使用“長短針”結構。

　　如圖43所示，PRSNT1#和PRSNT2#信號使用的金手指長度是其他信號的一半。因此當PCIe設備插入插槽時，PRSNT1#和PRSNT2#信號在其他金手指與PCIe插槽完全接觸，并經過一段延時后，才能與插槽完全接觸；當PCIe設備從PCIe插槽中拔出時，這兩個信號首先與PCIe插槽斷連，再經過一段延時后，其他信號才能與插槽斷連。系統軟件可以使用這段延時，進行一些熱拔插處理。