一台 AI 设备常常要把一路视频信号送出去给屏幕,还要在自己内部把数据在高速串行通道上搬来搬去,而这两件都跑在铜导线不再像一根普通导线那样表现的速度上。把一幅显示图像从处理器弄出来、送上一台 HDMI 显示器,或在两颗芯片之间路由一条 PCIe 链路,是一件靠桥、靠开关、靠仔细布局的活,不是接接引脚。做这件事的料、和它们坐的那块板,决定这条链路跑得干净还是趴窝。

这活分两半。一个要离开设备的信号,送往显示器的视频,常常以一种格式从处理器出来、得被转成屏幕收的那一种。一个留在内部的信号,芯片之间的一条高速通道,得被路由、有时在目的地之间切换、并在它板上那一段里保持干净。两者都被同一个事实管着:在这种数据率下,这条连接是一条传输线、得当传输线对待。

两种高速,往外和在内

视频输出是一条从处理器到屏幕的单向、高带宽的流,而处理器很少直接说屏幕的语言。许多处理器经 MIPI DSI 驱动显示,一种为近距离接的面板而设的短距接口,而一台显示器或一张采集卡要 HDMI,所以得有东西在两者之间翻译。带宽很大、由分辨率和帧率定死,而转换得跟得上、一个像素都不丢。

设备内部的通道不一样。PCIe 在处理器和一个加速器、一个存储控制器、或一颗网络芯片之间双向搬数据,而一个设计有时要通道的器件比处理器能给的通道多。这要把一条通道在目的地之间切换、或把处理器给的通道拆分,这是一个在信号问题之上的路由问题。

别的高速接口也照这两种样式走。USB 在它更快的速率上是一条往外去端口的通道、像显示,而一路进来的摄像头链路是一条在内的通道、像 PCIe,而每一个要么是离开设备的信号、要么是在内部挪动的信号。这两种样式、以及两者底下那同一套传输线物理,涵盖了一台边缘设备大概率会带的高速 I/O。

把显示信号送出去

一台得显示点什么的 AI 设备,一路摄像头画面、一个结果、一个用户界面,要把它的显示输出弄上一台标准显示器,而那道缝在处理器驱动的和显示器收的之间。处理器说 MIPI DSI,为几厘米外的一块面板而设,而显示器说 HDMI,为顺一根线跑而设,两者直接接不上。

用 LT9611UXC 把 MIPI DSI 转成 HDMI 输出,一座桥,拿处理器的 DSI 显示流、把它变成一台显示器或一台采集设备接受的 HDMI 信号。它处理显示要的格式和速率,让一颗只有 DSI 输出的处理器去驱动一台标准 HDMI 屏、而不用那个能力建在处理器里。对一台得把它的活显示在一台普通显示器上的设备,这座桥就是把它送到那的料。

桥有它自己的要求。DSI 这一侧是一个短距、时序很紧的接口,要桥靠处理器近放、走线短而匹配,而 HDMI 这一侧是一条出到一个连接器的传输线,要它自己仔细的布线和对的端接。一座没顾到任一侧就丢上板的桥,是一座会出雪花、出黑屏、或什么都没有的桥。

分辨率和帧率定了这活有多难。一个普通接口在一个普通分辨率上很宽容,而一个高分辨率在一个高帧率上,把数据率推到整条路的每一段,桥、走线、连接器,都得对。桥按设备得驱动的分辨率来选,带上那个分辨率要的带宽富余。

桥也带着 HDMI 里画面之外的那些部分。音频搭同一个连接器走,而让显示器告诉它能显示什么的那些握手,EDID 和链路训练,由桥处理、处理器不用管,这是一座桥比把 HDMI 建进处理器自己里更好设计进去的部分原因。

切换和路由高速通道

设备内部,PCIe 是处理器跟那些快外设说话的方式,一个加速器、一块 NVMe 盘、一颗快网络控制器,而处理器有固定数目的通道可花。当要通道的器件比通道多、或当两个器件共用一个一次只一个用的插槽,通道就得被切换或导引、而不是硬接死。

用 PI2PCIE2412ZHEX 做 PCIe 的通道切换,一个开关,把一条高速 PCIe 通道在目的地之间路由,让一组通道能服务不止一个器件、或让一个设计能在运行时选一条通道接哪个器件。它以 PCIe 要的完整性传那个高速信号,这是难的那部分,因为一个在高速路径里的开关,是个信号会变差的地方,如果这料不是为这个速率造的。

一个通道开关不是一个简单的多路选择器。在 PCIe 速度上,开关得在信号穿过它时保住信号的边沿和时序,这就是为什么一个为这个造的料,会按它支持的 PCIe 代来标定、并只加它自己很少的劣化。在 PCIe 路径里用一个普通模拟开关,那里速率远超它被造来应付的,正是一条链路降速或干脆起不来的原因。

要不要切换,由通道预算定。一个给每个器件都有富余通道的处理器不用开关,而一个通道紧的用一个开关来共享,代价是开关自己那份信号预算、和它加的布线。把处理器给的通道、对着要通道的器件数清楚,正是看出到底要不要一个开关的事。

热插拔是切换的另一个理由。一个器件能在系统跑着时插入或拔出的设计,要这条通道被管好、让链路干净地起来和下去,这是一个为它造的开关管的事,而一条硬接的通道假定器件一直在。插槽热不热插拔,和通道数一样塑造这个料。

这种速度下,导线就是一条传输线

管着这一切的那个事实是:一个高速信号不像一个慢信号那样顺一条走线跑,而把走线当一根普通导线对待,正是高速设计垮掉的地方。在 HDMI 和 PCIe 跑的速率上,信号的波长短到这条走线表现得像一条传输线,走线的宽度和它到地平面的距离定了信号看到的一个阻抗,而任何这个阻抗变化的地方,一个残桩、一个尖角、一个连接器、一个过孔,都把一部分信号反射回去、把其余搅浑。一条太宽或太窄的走线,一对两半长度不同的差分,一条被地平面缺口打断的回流路径,每一个都加上一个误差,在慢速下没关系、在这种速度下却把接收端要看到的眼图闭上。防线是一种纪律、不是末了贴上去的一个补丁。载这些信号的差分对按受控阻抗布、保持匹配长度让两半一起到、底下给一块完整不断的地走回流电流、并离会耦进来的板上吵闹处远一点。连接器和过孔,那些阻抗天然跳变的地方,被挑选和布局到尽量少扰动信号。这些都不在原理图上现身,那里这条连接是一根单线,而它们全决定这条链路工不工作,这就是为什么一个高速设计活在布局里、不在物料清单里。一个挑了对的桥和对的开关、然后把它们当慢信号布的团队,造出的是一台以原理图解释不了的方式失效的设备。

难抓的地方在于它是分级的、不是通或不通。一个有点错的布局,给的是一条在许多台上工作、在几台上失效的链路,或冷的时候工作、热的时候失效,这读起来像一个时好时坏的产品、不是一个清楚的故障,而不带信号完整性的眼光去查它,是在追一个鬼。把高速路径在前头就用纪律对待,远比在板子造完后才发现裕量不够便宜。

料是容易的那一半。布局才是设计。

为什么要桥和开关这些料

问一句为什么一个设备要这些多出来的料、而不是处理器直接就有对的输出,是公道的。答案是:一个处理器提供一套固定的接口,由它的厂家为常见情形选定,而一个给定的设备常常要一个处理器没有的接口、或比它提供的更多一个。一座桥或一个开关填上那道缝、不逼你换一颗不同、更贵的处理器。

一座桥在两个以不同形式载同样信息的接口之间转换,DSI 到 HDMI 就是一个,而当处理器说一种、外面的世界说另一种时它占得住位。另一条路,一颗内建 HDMI 的处理器,可能更贵、或在设备要的那个档里根本不存在,所以桥是到同样输出的更便宜的路。

一个开关或一个重定时器,管的是距离和扇出、不是格式。一个开关把一条通道在几个目的地之间路由,而一个重定时器,一个近亲,把一个在板上长距走线后变差的高速信号清理干净再重发,让一个信号能到达一块大板远边的一个连接器、还在规格里。两者存在,都因为处理器的通道是有限的、而板子不总是小。

集成是反方向的压力。每一座桥、每一个开关或重定时器,都是一个料、一笔成本、一个信号会变差的地方,所以一个能从处理器直接拿到它要的接口的设计,比一个用转换器拼起来的更干净。这些料是在处理器没法直接做时才去拿的,不是优先于一颗能直接做的处理器。

把端口和外面的世界隔开护住

一个面对外面世界的连接器,一个用户去插的 HDMI 插座,把那个高速信号和它后面的芯片暴露给线缆上来的任何东西。一根手指或一根线缆上的一次静电放电,能击穿一个为毫伏摆幅造的高速输入,而一个没保护的端口,是一个等着第一次粗心插拔的失效。

防线是放在连接器正处的保护。低电容 ESD 二极管在一次浪涌到达桥或开关之前把它钳到地,而它们得是低电容的、正因为信号是高速的,因为一个把线加载太重的保护料会把它本要护的那个信号弄差。这个保护把浪涌分流掉、却对数据几乎隐形。

位置是保护的一半。ESD 料尽量靠连接器近坐,这样浪涌在它走进板子之前就被钳掉,而布局给它一条又短、低电感的到地的路,因为一个在长细走线上的钳位动作太晚。当作事后才加、离端口远的保护,护得远比它看上去的少。

同样的小心覆盖电源和热插拔。一个供电的端口、或一个在线缆插进去时带电的连接器,在那些脚上也要防一次浪涌或一次涌流,所以这个连接器被当作一个整体对待,信号和电源一起,对着一个用户或一根线缆能对它做的一切。

一条高速通道在板上的代价

一个高速接口在料上便宜、在它要的板上贵,而那笔成本要么在设计时算、要么在调试时付。这些信号要的受控阻抗,常常要更多的板层,信号层下一块专用的地平面、和一个把走线设计成看到一致阻抗的叠层,而那个层数是实打实的每板成本。

长度匹配是它自己的活。一个差分对的两半被保持在一个紧公差内同样长,而几对一起走的地方,像一条 PCIe 链路的几条通道,它们彼此之间也匹配,这把板面填上那些把长度拉齐的小蛇形弯。一个布局工具帮得上,而这个约束照样塑造每样东西能放哪。

连接器是信号离开板子那个受控世界的地方,它们按速率来选。一个 HDMI 连接器和一个 PCIe 插槽按它们的速度标定,而一个便宜连接器或一个马虎的封装,正在信号最暴露的地方加上一个不连续,这就是为什么连接器是高速设计的一部分、不是一个拴上去的事后想法。

过孔,那些把一个信号在层间挪的孔,是会累加的小不连续。一条高速走线被布成尽量少穿层,而它必须换层的地方,这个过孔和给它回流电流一条路的邻近地过孔一起设计,让这一跳尽量少扰动信号。一个把高速信号穿过许多随意过孔来布的设计,在一条变差的链路上为它付钱。

走线的长度定了这些有多要紧。两颗靠近芯片之间的一小跳宽容很多,而一个得跨一块大板到边上一个连接器的信号,把这每一样都逼紧,而且可能要一个重定时器才到得了。一条高速通道的预算是在它整条路上画的,从源脚到远连接器,不在任何一个点上。

串扰是密板上的邻居问题。一个高速对走得离另一个咄咄逼人的信号太近,就拾它的噪声,所以这些对被隔开、有时被加护,而布线在一块已经挤的板上给那个间距找出地方。高速对之间的那个间距,和这些对本身一样是设计出来的。

链路跑在什么时钟上

一条高速串行链路把它自己的时序载在数据里,而两端的芯片照样跑在一个参考时钟上,那个时钟的质量在链路里现身。一个抖动太大的参考时钟,把每一比特的时序摊开、吃进链路有的那点裕量,所以一个高速设计给它的串行器一个干净、低抖动的时钟,从一个为它选的源来。

扩频时钟是那个把团队逮个正着的花样。为了过电磁辐射限,许多系统故意把时钟稍微抖一下、把它的能量摊到几个频率上,而链路两端都得被设成跟踪那个抖,因为一个期望稳时钟、却拿到一个扩频的接收端会失锁。时钟方案是为整条链路定的,两端一起,不是一颗芯片一颗芯片定。

时钟源是物料的一部分、不是免费的。一条高速链路要一个抖动指标匹配的晶振,而一个对慢逻辑没问题的便宜时钟,能把一条快链路饿得没了它拿不回来的裕量。时钟按它喂的最快那条链路来选,而一个干净的源能服务几条链路,只要它有应付其中最快那条的抖动预算。

把接口匹配到处理器提供的

高速设计从处理器起步,因为处理器定了有哪些接口可建在其上。一颗带一个 DSI 输出和一把 PCIe 通道的处理器,界定了设备能直接做什么、要一座桥或一个开关才够得着什么,而不核处理器的高速接口就选它,是闭着眼选。

数目和代都要紧。一颗处理器可能有 PCIe 通道、却是封住带宽的更老一代,或一个宽度限着它能驱动分辨率的 DSI 输出,而一个要的比处理器给的多的设备,得去桥、去切换、或换处理器。把处理器的高速接口、对着设备得驱动和连接的来读,是第一步,在任何桥或开关被选之前。

这就是为什么处理器和高速料要一起选。一座从处理器没有的接口转换的桥没用,而一个给处理器不跑的通道代的开关是个错配,所以这些料被挑来配处理器真实的输出,不是一套理想化的。

封装和引脚也约束它。一颗处理器的高速脚在一个固定的地方出来,而桥或开关和它的布线得在一条又短又干净的路上够到它们,所以这些料的摆放早早就定、靠处理器的高速脚近,在板子其余在它周围填进来之前。

一条高速链路到底怎么验

一条高速链路要么训练起来跑、要么不跑,而当它不跑时,看清为什么的办法是去看接收端看到的那个信号。眼图,信号的那些跳变叠在一起,在链路健康时显出一只张开的眼、在裕量缩小时显出一只闭合的,而它把一句含糊的"这链路时好时坏"变成一个"还剩多少裕量"的测量。

界定这些接口的那些标准,正为这个带着合规测试。HDMI 和 PCIe 各自规定信号在规定的点上得长什么样,而一个在真硬件上对着那些测试核过的设计,是一个已知能用的设计、不是一个盼着能用的,这要紧,因为一条勉强的链路能在一台上通过、在下一台上因正常的器件间差异而失效。

量这个要对的仪器和夹具,一台够这个速率快的示波器、和一个不扰动信号就探到它的法子,这是高速项目里它自己的一小笔成本。跳过这个测量、因为一块板能用就信它能用,正是一个设计发出一条链路、却在现场那些落到裕量错的一侧的台上失效的原因。

裕量才是把一个能出货的设计和一个仅仅能用的分开的东西。一条裕量健康的链路扛得住器件间的差、温度的摆、和一台现场设备见到的老化,而一条只在台上刚好通过的链路,给真实世界留不下什么。目标不是一条能用一次的链路,而是一条有裕量可余的。

按次序接好高速路径

这个次序让信号和布线不被分开解。从处理器起步、读它的高速接口,它驱动的显示输出和它提供的通道。把那些对着设备得做的来匹配,而哪里有道缝,就选转换格式的桥、或共享通道的开关。把桥靠它的源近放、把短的那侧弄短。把每一个高速对按受控阻抗、匹配长度、走在完整的地之上、到一个按速率选的连接器布好。哪里一段太长、自己到不了,就加一个重定时器。

贯穿其中的线是:一个高速信号是一个穿着数字原理图的模拟问题,而布局承载着物料清单只暗示了一点的那份设计。把它做对,画面干净、通道训练到全速。做错了,设备出雪花、丢帧、或把它的链路跑慢,为着原理图永远不会显出来的原因。