開關成熟度

PCIe 開關是 PCIe 系統的標準構建塊。由于芯片組提供有限數量的原生 PCIe 端口，因此交換機通常用于創建額外的 PCIe 端口。使用交換機允許芯片組扇出更多的 PCIe 端點或 I/O。

隨著 PCIe 協議的成熟，它的實現也越來越成熟。芯片組過去帶有一個 PCIe 端口，但現在通常支持多個 PCIe 端口。幾年前，設計人員很難找到支持 PCIe 的嵌入式處理器。如今，支持兩個甚至三個 PCIe 端口的嵌入式處理器很常見。

下一代功能

PCIe 交換機同樣已經成熟。第 1 代交換機最初只是提供扇出功能，而第 2 代交換機則支持特定于應用程序的性能增強功能，例如讀取步調和雙播。

當今的服務器和存儲系統混合使用通過連接到 PCIe 的適配器實現的恒定和突發 I/O 的情況并不少見。光纖通道主機總線適配器 （FC HBA） 是一個恒定的、需要大量數據的端點的示例，它大部分時間都在向主機發送大量讀取請求。另一方面，千兆以太網網絡接口卡 （GE NIC） 是一個本質上是突發性的端點，會根據需要向主機發送少量、不頻繁的讀取請求。

在標準 PCIe 系統中，如果 GE NIC 在 FC HBA 已經發出大約 8 個讀取請求之后發送了一個小的讀取請求，則 GE NIC 必須等待 CPU 處理完所有 8 個 FC HBA 讀取請求，然后再處理一個GE 網卡讀取請求。因此，GE NIC 性能會受到影響，因為它要花費幾個周期來等待接收其請求的數據。FC HBA 讀取請求往往比 GE NIC 的請求更大且更頻繁，這一事實只會加劇 GE NIC 性能下降。這個問題是 PCIe 協議和 CPU 用于處理傳入讀取請求的先進先出 （FIFO） 方案的副產品。

讀取步調通過在處理讀取請求時公平分配 CPU 帶寬來解決這個難題。在圖 1 中，讀取步調允許 GE NIC 跳到待處理的 FC HBA 讀取請求之前，從而顯著減少 GE NIC 的最壞情況等待時間。PCIe 交換機無需等待所有排隊的 FC HBA 讀取請求得到服務，而是允許 GE NIC 讀取請求在隊列中向前跳轉。

圖1

雖然突發 I/O 性能可以體驗 5 倍或更高的性能提升，但恒定 I/O 性能不會受到影響。read pacing 使用的算法考慮了恒定的 I/O 性能，并確保其性能不會下降。基于此算法，讀取步調支持其自己的默認設置集合。但是，想要自定義讀取步調功能的設計人員可以根據需要對自己的閾值進行編程。

雙鑄

雙播功能允許將一個入口數據包同時復制到兩個出口端口——一個數據包輸入，兩個數據包輸出。入口端口和兩個出口端口是用戶可編程的。每當數據包從選定的入口端口寫入選定出口端口中的指定地址范圍時，交換機都會自動生成出口數據包的副本并將該副本發送到第二個指定的出口端口。

在冗余和故障轉移應用程序中，CPU 通常會將數據包的副本發送到冗余端點或輔助系統，以確保在系統崩潰時可以使用數據的備份副本。借助雙重投射（如圖 2 所示），PCIe 交換機減輕了 CPU 管理冗余流量的負擔，將 CPU 需要執行的寫入次數減少了一半。

圖 2

調試和診斷鏈接

除了這些特定于應用的性能特性之外，最新的 PCIe Gen 2 交換機還提供了許多可以加速系統啟動的集成調試和診斷特性。

PCIe 數據包生成器

內置的 PCIe 數據包發生器允許設計人員以全線速 （5.0 Gbps） 運行 PCIe 交換機的外部鏈路。這款可編程發生器使設計人員能夠創建自己的流量模式，其強大功能足以使 x16 Gen 2 鏈路飽和。數據包生成器在系統調試和啟動期間非常有用，允許設計人員針對可定制的高密度流量測試他們的系統。

性能監控

集成的實時性能監視器允許設計人員通過使用 PCIe 交換機的 GUI 設計工具查看每個端口上的入口和出口性能，因為流量通過交換機。性能監控是完全被動的，因此對整體系統性能沒有影響。內部計數器為流量和數據包類型提供了廣泛的粒度。此外，設計人員可以修改示例應用程序代碼以允許進一步定制，例如流量過濾。此功能對于暴露性能瓶頸、識別未充分利用的鏈路以及優化系統性能非常有用。

SERDES 眼圖捕捉

設計人員可以使用開關的 SERDES 眼圖捕獲功能在物理層評估系統的信號完整性，如圖 3 所示。再次使用開關的軟件工具，設計人員可以查看開關上任何通道的接收器眼圖。此功能對于發現嚴重的信號完整性錯誤很有用，設計人員可以通過修改 SERDES 設置并查看調整對接收器眼圖的影響來識別這些錯誤。

圖 3

錯誤注入

錯誤注入允許設計人員將格式錯誤的數據包和/或致命錯誤注入他們的系統，從而使他們能夠評估系統檢測此類錯誤并從中恢復的能力。

縮小差距

除了沒有理解 PCIe Gen 2 除了額外帶寬之外的好處之外，一些設計人員還沒有意識到從 Gen 1 到 Gen 2 的過渡比看起來要簡單得多。根據 PCI Express 基本規范修訂版 2.0 的要求，PCIe Gen 2 向后兼容 Gen 1。因此，包括交換機在內的所有 PCIe Gen 2 設備都與所有 Gen 1 設備相連。如圖 4 所示，第 2 代交換機可用作第 1 代到第 2 代的橋接器。

圖 4

例如，使用傳統 PCIe Gen 1 芯片組的設計人員可以使用 Gen 2 交換機連接到 Gen 1 端點。使用 Gen 2 交換機不僅提供各種性能和調試功能，還允許 Gen 2 端點之間的點對點流量以 5 Gbps 的速度運行，使 Gen 1 交換機提供的點對點性能翻倍。

相反，使用 Gen 2 芯片組的設計人員可以利用 Gen 2 交換機扇出到 Gen 1 端點。通過使用 Gen 2 交換機，設計人員可以利用 Gen 2 交換機內置的上述性能和調試功能，同時隨著設計的發展獲得連接到 Gen 2 端點的靈活性。

PCIe Gen 2 現在和現在

隨著 PCIe 市場的不斷擴大，PCIe 交換機的創新也在不斷擴大。當今的第 2 代交換機提供高性能、集成的特定應用性能增強功能以及內置調試和診斷功能。插入第 2 代交換機是設計人員將其傳統的第 1 代系統升級為支持第 2 代的最簡單方法，從而使他們的系統在這個快速發展的市場中面向未來。

審核編輯：郭婷