家用電腦的PCIe接口如何設(shè)計PCB？

PCI-Express（PCIe）是一種由英特爾于2001年提出的高速串行擴(kuò)展總線標(biāo)準(zhǔn)，原名“3GIO”，旨在取代PCI、PCI-X和AGP等舊標(biāo)準(zhǔn)。PCIe采用點(diǎn)對點(diǎn)雙通道設(shè)計，每個設(shè)備獨(dú)享帶寬，支持主動電源管理、錯誤報告、端到端可靠傳輸、熱插拔及服務(wù)質(zhì)量(QoS)等功能。

一、PCIe的接口介紹

PCI-Express接口，通常簡稱為PCIe，是一種高性能的串行點(diǎn)對點(diǎn)高帶寬傳輸通信標(biāo)準(zhǔn)。該技術(shù)通過采用多通道配置（包括×1、×4、×8以及×16等規(guī)格），為各種計算機(jī)組件提供了快速且靈活的數(shù)據(jù)交換能力。PCIe的設(shè)計初衷是為了克服傳統(tǒng)并行總線架構(gòu)如PCI和AGP在速度與靈活性上的局限性。以下是PCIe的一些關(guān)鍵特性和優(yōu)勢。

1、獨(dú)享帶寬

每個PCIe設(shè)備都能獲得專屬的數(shù)據(jù)傳輸路徑，這意味著即使在同一時間內(nèi)有多個設(shè)備同時工作，它們也不會互相干擾或爭奪有限的帶寬資源。

2、先進(jìn)的電源管理

支持動態(tài)調(diào)整功耗狀態(tài)以適應(yīng)當(dāng)前的工作負(fù)載，從而實(shí)現(xiàn)更高效能比。這種特性對于延長筆記本電腦電池壽命尤其重要。

3、錯誤檢測與糾正機(jī)制

內(nèi)置了強(qiáng)大的錯誤檢查功能，可以自動發(fā)現(xiàn)并修正數(shù)據(jù)傳輸過程中可能出現(xiàn)的問題，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

4、端到端的安全傳輸

確保從源頭到目的地的數(shù)據(jù)完整性不受損害，這對于需要高度精確度的應(yīng)用場景非常有價值。

5、即插即用兼容性

允許用戶在不關(guān)閉系統(tǒng)的情況下添加或移除硬件設(shè)備，極大地方便了維護(hù)和升級過程。

6、服務(wù)質(zhì)量(QoS)控制

能夠根據(jù)不同類型的數(shù)據(jù)流設(shè)置優(yōu)先級，保證關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用始終享有最佳性能表現(xiàn)。

自首次由PCI-SIG（PCI特別興趣小組）定義以來，PCIe已經(jīng)成為現(xiàn)代計算平臺中不可或缺的一部分，并隨著版本迭代不斷演進(jìn)，持續(xù)推動著個人電腦及服務(wù)器領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展。值得注意的是，“PCI-Express”是正式名稱，而“PCIe”則是更為廣泛使用的簡稱形式。

二、PCIe接口的引腳定義

1、卡的檢測（ID0/ID1）腳。這是PCI-E X1特有腳，在PCI-E總線啟動后，通過檢測卡的ID腳，確定卡的長度，以匹配相應(yīng)的時鐘頻率。

2、卡的長度（X1/X4/X8或X16）腳。這也是PCI-E X1特有腳，用于確定卡的長度，以匹配相應(yīng)的時鐘頻率。

3、電源（3.3V）腳。這是PCI-E X1總線標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電源腳。

4、地（GND）腳。這是PCI-E X1總線標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的地線。

5、第一條差分信號線（TX1）。這是PCI-E X1總線標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的第一條差分信號線，用于發(fā)送數(shù)據(jù)。

6、第二條差分信號線（RX1）。這是PCI-E X1總線標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的第二條差分信號線，用于接收數(shù)據(jù)。

三、PCIe接口的PCB設(shè)計

PCI-e x1接口的PCB設(shè)計需要遵循以下規(guī)范和注意事項(xiàng)，這些規(guī)范能確保信號質(zhì)量和穩(wěn)定性。

1、差分對布局

差分對定義：PERP/N、PETP/N 和 PECKP/N 是構(gòu)成PCI-e x1接口的三個關(guān)鍵差分對。這些信號對于確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量至關(guān)重要，因此在PCB設(shè)計時需給予特別關(guān)注。

布局建議：盡可能將這些差分對緊密排列在一起，并與其他非相關(guān)信號保持一定距離以減少干擾。推薦將它們放置于專用層上，以便更好地控制阻抗和降低噪聲影響。

2、差分對線寬及間距

標(biāo)準(zhǔn)尺寸：每對內(nèi)的兩條導(dǎo)線應(yīng)采用一致的寬度（如7 mils），并保持恒定的中心到中心的距離（同樣為7 mils）。

目的：這樣做有助于維持穩(wěn)定的特性阻抗，從而提高信號完整性。

3、長度匹配

長度差異限制：兩根差分線之間的最大允許長度差異不應(yīng)超過5 mils。

重要性：良好的長度匹配可以有效減少由于傳播延遲不同造成的相位偏移問題。

4、TX/RX信號布線

同層原則：發(fā)送(TX)與接收(RX)信號應(yīng)分別位于獨(dú)立但連續(xù)的參考平面上。

完整地平面：確保每個信號路徑都有完整的接地回路支持，這對于高速數(shù)字通信尤為重要。

5、過孔使用

換層處理：當(dāng)需要跨層連接PCI-e x1信號時，在靠近轉(zhuǎn)換點(diǎn)的位置添加地過孔來提供屏蔽效果。

數(shù)量建議：對于每一組信號對，推薦設(shè)置1至3個地過孔。

6、過孔規(guī)格與對稱布置

具體參數(shù)：選用直徑為25 mils、鉆孔大小為14 mils的標(biāo)準(zhǔn)過孔。

位置要求：兩個過孔應(yīng)當(dāng)相對稱地分布在信號線兩側(cè)，保證電氣性能的一致性。

7、交流耦合電容配置

元件選擇：發(fā)射端與接收端之間需接入相同封裝大小的0.1μF交流耦合電容。

放置規(guī)則：電容應(yīng)成對出現(xiàn)且對稱分布，盡可能靠近金手指安裝區(qū)域。注意避免使用通孔插裝型器件。

8、其他注意事項(xiàng)

隔離措施：像SCL這樣的低速控制信號不應(yīng)直接穿過PCI-e主控芯片所在的區(qū)域，以免引入不必要的串?dāng)_或電磁兼容問題。

四、PCIe接口的PCB可制造性設(shè)計

1、阻抗線：在制造過程中阻抗線的公差是+/-10%，普通走線一般是+/-20%，阻抗線要求更加精確，因此阻抗線設(shè)計最好大于普通線最小的制成能力。

2、金手指開窗：金手指是否開通窗，如金手指沒開通窗會存在插接腳接觸等問題。

3、過孔設(shè)計：金手指周邊的過孔盡量遠(yuǎn)離金手指，如過孔太靠近金手指會影響性能。

4、外形倒角：為了方便金手指插頭插入卡槽，金手指外形需要倒角設(shè)計。

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