PCIe 通用时钟（Common Clock）和 SRNS（独立参考无源同步） 模式

PCIe（PCI Express） 是一种广泛用于高性能设备之间数据传输的标准接口。PCIe 标准经过了多次更新和迭代，经历了 Gen 1、Gen 2、Gen 3、Gen 4，每一代都在传输速率、带宽、时钟特性等方面进行了改进和提高。下面我来详细解释一下 PCIe 通用时钟（Common Clock）和 SRNS（独立参考无源同步） 模式，以及它们之间的区别：

1. PCIe 各代的时钟特性

PCIe Gen 1、2、3、4 主要在数据传输速率和时钟信号特性上有以下区别：

• PCIe Gen 1：

  • 速率：2.5 GT/s（Giga Transfers per second）。
  • 通常使用 100 MHz 的参考时钟，经过倍频和编码后传输。

• PCIe Gen 2：

  • 速率：5.0 GT/s。
  • 使用更先进的信号处理技术，时钟抖动和同步要求比 Gen 1 更严格。

• PCIe Gen 3：

  • 速率：8.0 GT/s。
  • 使用 8b/10b 编码，并且需要参考时钟的相位噪声非常低，时钟信号必须更加稳定。

• PCIe Gen 4：

  • 速率：16.0 GT/s。
  • 进一步提高了带宽，对时钟的相位抖动和同步的要求更加严格。

2. 通用时钟模式 (Common Clock Mode)

通用时钟模式 是 PCIe 的一种工作模式，它是由主机（Host）和设备（Device）之间共享相同的参考时钟。具体来说：

• 同一个参考时钟源被传递给链路两端的发送方和接收方。
• 通用时钟模式的主要优点是：
  • 时钟源相同，因此数据传输时，发送和接收的时钟是同步的，减少了对时钟偏差的补偿需求。
  • 时钟同步简单，可以降低电路的复杂性，从而提高链路的可靠性和降低功耗。
• 通用时钟一般为 100 MHz，但其抖动特性需要满足 PCIe 标准规定的要求，以确保传输稳定性。

3. SRNS 模式 (Separate Refclk with No Spread, 独立参考无扩频)

SRNS（Separate Reference Clock with No Spread） 模式是指 两端的参考时钟是独立的，没有来自同一源的同步时钟信号：

• 独立参考时钟：发送端和接收端都有自己的时钟源，但这些时钟可能不是同一个时钟信号，尽管它们的频率是相同的（如 100 MHz）。
• 没有扩频（No Spread）：时钟信号不会进行频率扩展调制（扩频 SSC），以减少电磁干扰。
• 在 SRNS 模式下，由于两端的时钟是独立的，因此需要专门的电路（如 时钟数据恢复（Clock Data Recovery, CDR）电路）来对时钟进行再同步。
• SRNS 模式的优点是可以在不同的设备之间，分别有各自独立的参考时钟，减少了对共享参考时钟的依赖。

4. 通用时钟模式 vs. SRNS 模式

• 同步方式不同：

  • 通用时钟模式：主机和设备端使用相同的参考时钟，数据传输相对简单。
  • SRNS 模式：两端使用独立的参考时钟，需要额外的同步机制。

• 复杂性：

  • 通用时钟模式：由于使用同一个参考时钟，减少了对同步电路的需求，因此实现较为简单。
  • SRNS 模式：需要专门的时钟恢复和再同步电路，增加了实现复杂性。

• 适用场景：

  • 通用时钟模式：适合系统内多个设备能够共享相同参考时钟的应用场合，例如主板上 CPU 与 PCIe 外围之间。
  • SRNS 模式：适合那些时钟源无法共享或距离较远的应用场景，独立的参考时钟让系统设计具有更多的灵活性。

5. PCIe Gen 3 SRNS 支持

在 PCIe Gen 3 中，SRNS 模式得到了进一步的完善和支持。由于 Gen 3 速率较高（8 GT/s），需要确保两端的时钟差异尽可能小，这就要求参考时钟有较高的精度。Gen 3 的 SRNS 需要具备更好的时钟恢复和同步能力，以保持数据传输的完整性。

总结

• 通用时钟模式（Common Clock）：两端共享相同的参考时钟，数据传输简单，适合短距离或单板系统。
• SRNS 模式：两端参考时钟独立，适合不能共享参考时钟的场景，增加了系统的灵活性，但也增加了实现的复杂性。

两种模式的区别在于是否使用共享参考时钟以及同步方式的不同。在 PCIe 的不同代中，时钟同步机制和抖动要求逐渐提高，因此需要根据具体的应用场合选择合适的时钟模式，以确保数据传输的高效和可靠性。