画像シリアル転送にみるPCI-Expressの活用法 ー その2

PCI Expressの主な仕様

PCI ExpressはPCI-SIGが策定しており、現在『PCI ExpressBase Specification1.1』が最新となっています。その他、『PCI Express Card』,『PCI Express Mini Card』, 『PCI Express Module』などについても個別に仕様を用意しています。詳細は仕様書を確認していただくとして、ここではPCI　Expressの基本的な仕様を紹介します。

PtoPデュアルシンプレックス（送受信チャネルが独立）

PCI　Expressの物理層はレーン、リンク、ポートで構成されます（図３参照）。図からも分かる通り、送信と受信がそれぞれ独立したパスとなっており１対1で接続されます。

2.5Gbps差動信号

PCI　Expressでは信号のやり取りを低電圧の差動信号で行っています。 ビットレートは2.5Gbpsとなっており規格書では表３に示す値を規定しています。

表３・送信と受信の規格値（一部抜粋）
パラメータ	最小	標準	最大	単位
ユニットインターバル（送信）	399.88	400	400.12	ps
デエンファシス（送信）	-3.0	-3.5	-4.0	dB
差動出力電圧（送信）	0.800	-	1.2	V
差動入力電圧（受信）	0.175	-	1.2	V

　

8B/10B符号

PCI　Expressでは8B/10Bの符号化を行っています。8B/10Bを使用することにより エンベデッドクロックが実現でき受信側ではデータからクロックの抽出（ClockDataRecovery）が 可能となります。ただし、実効レートが80％に低下してしまうデメリットもあります。

転送帯域のスケーラビリティ

規格ではリンク幅を1/2/4/8/12/16/32レーンと規定していますので、必要に応じてレーン数を選択する事が可能です。（表４参照）

 

階層構造

PCI Expressではパケットベースのやり取りを行うため、階層構造となっています。 図４で示したとおり、 上位からの命令は各階層を通過し、最終的にパケットとして送信されます。 PCIバスのサイドバンド信号もパケットに含まれた形で通知されます。

 

トポロジ

PCI Expressの仕様では『RootComplex』、
『Endpoint』、『Switch』、『PCI　Express-PCI　Bridge』が 構成要素として定義されています。 これらの要素は１対１で接続されSwitchを組みあわせることで拡張性のあるシステム構築が可能となります。 図５にPCI Expressのシステム構成例を示します。

 

『RootComplex』

I/O階層の最上位に配置され、CPU/メモリサブシステムをI/Oと接続します。独立したPCI Expressポートを1つ以上もっています。

 

『Endpoint』

Configuration Header Type 00hをもつI/Oの末端デバイスで『Legacy Endpoint』と『PCI Express　Endpoint』があります。

 

『Switch』

PCI Expressポートを２つ以上実装し、各ポート間でパケットのルーティングを行います。Configuration　Header Type 01hをもつ仮想PCI-PCIブリッジとして認識されます。

 

『PCI Express-PCI Bridge』

PCI ExpressとPCI/PCI-Xを接続することができます。PCI Expressシステムで既存のPCIデバイスを使用する際に必要となります。

 

PCI Expressを実現するための具体的な手段

PCI Expressを実現するためにはさまざまな手法が考えられます。 現在は表５に示すようなデバイスが供給され始めており、アプリケーションに応じて選択する事が可能です。 『PIPE(Physical Interface for PCI Express)』とはIntel社が策定している仕様で、 主にFPGAとのインターフェイスを考慮しています( *１)。IPベンダも『PIPE』をインターフェイスとした製品をラインナップしており 高速シリアルインターフェイスを内蔵していない低価格なFPGAでもPCI Expressを実現できるソリューションを提供しています。

表５　PCI Expressチップ一例
型名	レーン数	インターフェイス	メーカ
41210	X8	PCI-X133　2ch	Intel
GL9714	X4	PIPE 125MHz/16bit,250MHz/8bit	GENESYS LOGIC
GL9711	X1	PIPE 125MHz/16bit,250MHz/8bit	GENESYS LOGIC
GL9701	X1	PCI 33MHz,66MHz/32bit	GENESYS LOGIC
PEX8114	X4	PCI-X 133MHz/64bit	PLX Technology
PEX8111	X1	PCI 66MHz/32bit	PLX Technology
PEX8532(Switch)	X32	ー	PLX Technology
PEX8524(Switch)	X24	ー	PLX Technology
PEX8516(Switch)	X16	ー	PLX Technology

 

*１：『PIPE』の仕様は『Intel Developer Network for PCI Express Architecture』に加盟すると入手可能です。 詳細はhttp://developer.intel.com/technology/pciexpress/devnet/を参照してください。

 

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