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基于背板系统的PCI Express传输链路设计与SI仿真技术研究

作　者: 王曌伟
导　师: 曹跃胜
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 计算机技术
关键词: PCI Express 背板 信号完整性 长距离传输 SI仿真 高速PCB 眼图分析 高速信号传输
分类号: TP336
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


机架式背板系统由于其在性能上的高容量交换能力和卓越的稳定性成为复杂电子系统的主流构架，是当今电信交换设备、高性能计算机等大型数字系统设计实现的基础。PCI Express作为第三代I/O总线技术的典型代表，以其通道数多、带宽高、兼容性好等性能受到业界的广泛应用与支持。但也正是因为PCI Express高速率、高带宽，尤其PCI Express3.0的传输速率达8Gbps，给电子系统设计师带来了跨背板传输的设计难题，即如何能有效地减小或者避免高速信号经过长距离传输所发生的诸如信号反射/衰减、介质损耗、抖动及码间干扰等信号完整性（SI）问题。本文结合工程实际需求，搭建了基于背板的实验系统，针对PCI Express的传输链路进行建模、设计和SI仿真，并对仿真结果进行详细地分析与研究。主要研究内容和成果包括以下几个方面：针对第三代I/O总线技术的发展，深入剖析了PCI Express的总线结构与协议，重点研究分析了PCI Express3.0各协议层的特点、编码方式，为后续PCI Express链路设计与SI仿真打下基础。针对高速PCB设计技术展开研究，对高速传输链路中的各关键要素（包括叠层、板材、过孔、连接器等）逐一进行分析、设计和SI仿真，尤其是分析了各个要素对高速信号传输的影响，并在分析仿真基础上对关键要素的参数进行设计优化，为后续实际工程设计做出了有益的尝试。针对本课题的设计目标，分析了多种机架式背板系统的结构及其特点，设计搭建了基于平行背板结构的实验系统。根据实验系统的互连模式，构建了跨背板的PCI Express高速信号传输链路模型。针对工程设计的实际需求，运用实验系统的高速信号传输链路模型，开展了对不同速率（5Gbps和8Gbps）条件下多种板材（FR4和N4000-13SI）、多种传输距离（55cm、80cm和100cm）的SI仿真分析。通过对PCI Express2.0与PCI Express3.0两种速率信号的跨背板传输进行全面仿真与分析，得出工程设计的可传输的设计距离。另外，为进一步改善背板信号的传输质量，提出了可在传输链路中增加中继芯片来增加背板的传输距离的设计方法，并进行了具有中继芯片的链路仿真分析。最后，本文针对未来所面临的14Gbps速率的背板设计进行仿真与讨论。

全文目录


摘要  9-10
Abstract  10-12
第一章 绪论  12-17
  1.1 课题的研究背景与意义  12-13
  1.2 国内外研究现状  13-14
  1.3 本文的主要工作  14-15
  1.4 本文的组织结构  15-17
第二章 PCI Express 总线结构与协议分析  17-30
  2.1 PCI Express 总线的基本架构  18-22
    2.1.1 PCI Express 传输数据的特点  18-19
    2.1.2 PCI Express 总体系统架构  19-20
    2.1.3 PCI Express 的协议结构  20-22
  2.2 PCI Express 的协议分析  22-26
    2.2.1 物理层数据包  22-25
    2.2.2 数据链路层数据包  25-26
    2.2.3 处理层数据包  26
  2.3 PCI Express 3.0 概要分析  26-29
    2.3.1 PCI Express 的发展  26-27
    2.3.2 PCI Express 3.0 的编码特点分析  27-29
  2.4 本章小结  29-30
第三章 高速 PCB 要素设计与分析  30-47
  3.1 高速 PCB 中信号完整性分析  30-34
    3.1.1 信号完整性问题概述  30
    3.1.2 高速串行传输中的信号完整性问题  30-34
  3.2 高速 PCB 的关键要素设计  34-46
    3.2.1 叠层  34-35
    3.2.2 布线  35-38
    3.2.3 过孔  38-42
    3.2.4 板材  42-44
    3.2.5 连接器  44-46
  3.3 本章小结  46-47
第四章 背板系统中 PCI Express 传输链路设计  47-60
  4.1 背板系统架构  47-54
    4.1.1 背板结构和概述  47-49
    4.1.2 差分信号  49-52
    4.1.3 高速背板设计技术介绍  52-54
  4.2 实验系统的传输链路设计  54-57
    4.2.1 链路设计的构想  54-55
    4.2.2 实验系统的传输链路设计  55-57
  4.3 中继器介绍  57-59
  4.4 本章小结  59-60
第五章 高速背板传输的 SI 仿真与分析  60-83
  5.1 仿真模型介绍  60-63
    5.1.1 SPICE 模型  60-61
    5.1.2 S 参数模型  61-62
    5.1.3 实验系统 PCI Express 链路模型提取与准备  62-63
  5.2 SI 仿真工具软件介绍  63-66
    5.2.1 HSPICE  63-64
    5.2.2 Ansys Designer6.1  64-65
    5.2.3 Ansys SIwave5.0  65-66
  5.3 链路仿真及 SI 分析  66-81
    5.3.1 频域方面  66-70
    5.3.2 时域方面  70-81
  5.4 14Gbps 速率的仿真与讨论  81-82
  5.5 本章小结  82-83
第六章 结论与展望  83-85
  6.1 本文工作总结  83
  6.2 工作展望  83-85
致谢  85-86
参考文献  86-89
作者在学期间取得的学术成果  89

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 电子数字计算机（不连续作用电子计算机） > 总线、通道
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