Руководство по компоновке PCIe и маршрутизации

Открывая в детстве компьютер и глядя на сложный беспорядок слотов для карт, чипов и прочей электроники на материнской плате, я всегда удивлялся, как кто-то может сохранять все детали разводки печатной платы в порядке. Узнав больше о проектировании печатных плат для компьютерной архитектуры и периферийных устройств, я оценил преданность дизайнеров печатных плат делу создания отличных электронных устройств.

Современные графические процессоры, USB, аудио и сетевые карты могут работать на основе одного и того же стандарта межсоединений: PCI Express. Если вы новичок в проектировании высокоскоростных PCB для устройств PCIe, информация по этой теме немного фрагментирована, если вы не приобретете документ о стандартах у PCI-SIG (Peripheral Component Interconnect Special Interest Group). К счастью, основные характеристики можно разбить на несколько действенных правил проектирования, и вы сможете легко спроектировать и маршрутизировать свое следующее устройство PCIe с помощью подходящего программного обеспечения для проектирования печатных плат.

Как и в случае с любым высокоскоростным проектом, слепое следование стандарту в спецификациях маршрутизации не гарантирует, что ваш проект будет работать так, как задумано. Любой прототип должен быть тщательно протестирован, чтобы убедиться, что в конструкции нет проблем с целостностью сигнала. Даже если вы все спроектировали в соответствии с правильными спецификациями трассировки с точки зрения импеданса, длины дорожки и т. д., все равно возможен сбой проекта из-за неправильного выбора компоновки. Спецификации PCIe для каждого поколения также включают требования к тестированию, которые публикуются на веб-сайте PCI-SIG. Мы не будем здесь вдаваться в тестирование, но продолжайте читать, чтобы увидеть краткое описание того, что входит в стандарт, и как можно разработать карты PCIe, максимально соответствующие новым поколениям PCIe.

Спецификации маршрутизации

В настоящее время существует пять поколений PCIe, выпущенных PCI-SIG, отраслевой рабочей группой, которая следит за спецификацией PCIe. PCIe Gen 5 был выпущен в этом году, а устройства PCIe Gen 6 ожидаются в 2022 году. Точные спецификации маршрутизации зависят от того, какое поколение PCIe вы будете использовать для своих конкретных компонентов. Что касается дизайна, вам необходимо соединить компоненты и хост-контроллеры, которые будут поддерживать необходимую для ваших компонентов скорость передачи данных. PCIe имеет прямую и обратную совместимость, поэтому минимальная пропускная способность данных ограничена минимумом контроллера и периферийных компонентов.

Топология и скорость передачи данных

Все ссылки PCIe состоят из нескольких полос (групп дифференциальных пар), которые обеспечивают высокую пропускную способность в виде группы последовательных интерфейсов. Обратите внимание, что хотя линия PCIe является последовательной, все полосы, собранные вместе, похоже, образуют параллельную шину, но это не так. Связь двунаправленная с группами Rx и Tx полос. Линии PCIe прокладываются от точки к точке в виде дифференциальных пар, поэтому должны быть установлены стандартные правила сопоставления длин и наклона. Стандарты PCIe определяют до 16 доступных линий, которые также определяют размер стандартизированных слотов для карт PCIe. Разные хост-контроллеры будут иметь разное количество доступных линий, которые затем могут определять, сколько периферийных устройств они могут поддерживать. Устройства PCIe используют встроенную синхронизацию с разными линейными кодами (8b/10b в Gen 1 и 2, 128b/130b в Gen 3 и выше), поэтому нам не нужно беспокоиться о маршрутизации дополнительного тактового канала, как в DDR. Наконец, каждое поколение удваивает пропускную способность по сравнению с предыдущим поколением, достигая 32 ГТ/с в PCI Gen 5.

Бюджет потерь и дифференциальный импеданс

Пять текущих поколений PCIe имеют разные спецификации по импедансу и бюджетам потерь для разных поколений, и их следует тщательно соблюдать для поддержания требуемой производительности. Они кратко изложены в таблице ниже. В некоторых руководствах по маршрутизации максимальная длина трассы определяется либо в виде жесткого числа, либо в виде диапазона. Я собрал общие бюджеты убытков в таблице ниже; Эти значения берутся при максимальной скорости передачи данных, указанной для каждого поколения. Обратите внимание, что эти бюджеты включают вставку, возврат, разъем и потери диэлектрика/шероховатости по длине линии PCIe.

Хотя стандарты высокой скорости определяют в спецификациях такие вещи, как длина трасс, более важными являются потери на пути маршрутизации. Все потери от отражений, разрывов импеданса, поглощения, шероховатости меди и других источников накапливаются на протяжении всего пути трассировки и должны учитываться при определении длины трассы. Для PCIe с выходом 4-го поколения FR4 перестал быть лучшим вариантом, и для поддержки маршрутизации на расстояниях, которые можно увидеть в стоечных блоках или материнских платах, потребовались ламинаты с меньшими потерями. Будьте осторожны, просто выполняя расчет длины трассировки для одной подложки и распространяя ее на другую подложку, поскольку спектры возвратных и вносимых потерь для линий PCIe на двух разных подложках вряд ли будут совпадать.

Муфтовые колпачки переменного тока

Текущая базовая спецификация PCIe требует вызовов колпачков связи переменного тока от 176 до 265 нФ, расположенных рядом с концом канала передатчика, для устранения смещения постоянного тока на линии PCIe. Конденсаторы связи переменного тока требуются с обеих сторон дифференциальной пары, и они размещаются в виде пары дискретных конденсаторов на конце передатчика полосы (обычно 0402 колпачки). Обратите внимание на техническое описание компонента, так как ваш драйвер (хост) может рекомендовать конкретное значение, которое выходит за пределы диапазона в базовой спецификации.

Как только мы дойдем до PCIe Gen6, сигнализация PAM4 даст еще одно удвоение скорости передачи данных до 64 ГТ/с. Точно так же у нас будет еще одно увеличение допустимого значения убытка в соответствии с тенденцией, приведенной в таблице выше. Помимо потерь в канале и обеспечения согласования импеданса во всех межсоединениях, конструкция стека и размещение компонентов являются двумя важными моментами, обеспечивающими поддержание контроля импеданса для дифференциальных пар в линиях PCIe, обеспечивая при этом маршрутизацию с минимальными переходами слоев и помехами для других компонентов.

Как стек и компоновка влияют на маршрутизацию

Типичные платы PCIe с меньшим количеством линий могут использовать 4-слойный стек с двумя внутренними плоскостями питания и двумя сигнальными слоями на каждой внешней поверхности (микрополосковая маршрутизация, Tx и Rx, маршрутизированные на разных сторонах платы). Каждый силовой слой может быть доведен до различных уровней смещения, в зависимости от требований устройства. В некоторых конструкциях может использоваться 6-слойный стек с более низкоскоростными сигналами, проходящими между двумя уровнями мощности. Будьте осторожны с этим, так как высокоскоростные сигналы на внутренних слоях могут создавать перекрестные помехи, и в этих платах необходимо заземление. Некоторые руководства также доступны для слоев 8 и 10 стеков для плат PCIe.

Если вы разрабатываете стандартную карту PCIe, вам необходимо убедиться, что общая толщина платы соответствует стандарту 1.57 мм (1 мм для PCIe Mini), толщина и распиновка для карт PCIe, независимо от стека слоев печатных плат. Другие платы со всеми компонентами PCIe на одной подложке (без краевого разъема) могут иметь любое количество слоев или толщину, хотя придерживаются стандартной толщины, чтобы обеспечить разумные производственные затраты.

Материнские платы со слотами для карт PCIe обычно направляют все сигналы на один и тот же слой (Rx и Tx на противоположных сторонах платы), поэтому вы должны оставить достаточно места на плате для маршрутизации линий без переходов между слоями (подробнее о переходных отверстиях ниже). Если вы посмотрите на некоторые маршруты PCIe в более поздних поколениях, трассы используют зигзагообразную маршрутизацию для компенсации перекоса волоконного плетения в подложке. Если вы используете плотную подложку из стеклоткани с низкими потерями, вы можете ослабить это требование, но вам все равно следует протестировать плату, чтобы убедиться, что она работает в соответствии со спецификациями для вашего приложения.

Штифты, колодки, переходные отверстия и маршрутизация разрывов

Особенно важна прокладка вокруг препятствий и размещение компонентов и проводов на плате PCIe. Маршрутизация к контактам, пэдам, компонентам и трассировке разъемов BGA должна быть симметричной и совпадающей по длине, а настройка/несоответствие длин должна применяться вблизи исходного конца канала. Дифференциальные пары должны быть тесно связаны по всей своей длине, поэтому старайтесь избегать отклонений из-за контактных площадок, переходных отверстий или компонентов на пути разводки. Этот важный момент в планировании может предотвратить проблемы с целостностью сигнала после доработки платы.

То же самое относится и к маршрутизации прорывов из BGA или других компонентов. Например, прокладка к BGA потребует изгиба в одной трассе, чтобы достичь одной из площадок. Такой же изгиб должен появиться и в другой трассе, если это возможно. Пара также должна быть проложена вместе между соседними контактными площадками на BGA, а не маршрутизироваться с помощью контактных площадок между дорожками. Взгляните на этот пост о маршрутизации в интерфейс PCIe на BGA для получения дополнительной информации.

Что касается переходов, то в первоначальном проекте стандарта PCIe Gen1 от Intel были указаны ограничения на количество переходов на линиях PCIe, но строгий подсчет переходов менее важен, чем общие потери от всех переходных отверстий на межсоединении. Хотя, как правило, все в маршрутизации PCIe происходит на одном уровне (Tx и Rx на разных сторонах), обратите внимание на потери, когда на концах линий PCIe присутствуют переходные отверстия. В идеале количество переходных отверстий должно быть сведено к минимуму и просверлено в обратном направлении (нет необходимости использовать глухие/заглубленные переходные отверстия), а при правильной планировке/маршрутизации вам не понадобятся переходные отверстия для повторных переходов между слоями.

Поддерживать импеданс, связь и длину дорожек в пределах спецификации намного проще, если ваше программное обеспечение для проектирования печатных плат включает функции маршрутизации с контролируемым импедансом . Допуск импеданса можно указать непосредственно в программном обеспечении для проектирования, а интерактивный инструмент трассировки обеспечит правильную геометрию и расстояние между трассами. Функции компоновки и маршрутизации в Altium Designer^®интегрированы в единую программу вместе с функциями моделирования, проверки и подготовки к производству. Пакет CircuitStudio^® помогает обеспечить соответствие вашего проекта спецификациям компоновки и маршрутизации PCIe.

Теперь вы можете загрузить бесплатную пробную версию Altium Designer и узнать больше о возможностях компоновки, маршрутизации и верификации. Поговорите с экспертом Altium Designer сегодня, чтобы узнать больше.