このＰＤＦは，ＣＱ出版社発売の「PCI Express設計の基礎と応用」の一部分の見本です．
内容・購入方法などにつきましては以下のホームページをご覧下さい．
<http://shop.cqpub.co.jp/hanbai/books/46/46411.htm>

PCI Expressの時代がやってきた !
Prologue

100 枚もの画像をたった 1 秒で送ることができる
高速シリアル・インターフェース
畑山 仁

PCI Express は，転送速度 5 Gbps（ギガ・ビット/秒）を実現する高速シリアル・バスです．プロトコルが複雑で，実装のコストが比較的高いという問題がありましたが，高速トランシーバ内蔵 FPGA などの低価格化が進み，実現しやすくなってきました．超高速通信規格 USB 3.0 スーパスピード（5 Gbps）の物理層にも PCI Expressの物理層が流用されているこれからの必須の技術です．
ここでは，パソコン内部のバスなどに使われている PCI Express とはどのようなものか，何ができるのか，使用するとどのようなメリットがあるのかを説明します．

1 PCI Express とは● ほとんどのパソコンが装備している現代の標準バス・インターフェース装置を開発するときに，高性能で安価なパソコンが必要になることがあります．
それには，汎用のパソコンになんらかのインターフェースを介して機能を拡張するボードを追加しなければなりません．図 1 に示すのは，パソコンに備えられているさまざまな接続インターフェースです．
チップやボード，機器間を接続するインターフェースをバスと呼びます．CPUには，メモリや I/O などがバス経由で接続されます．あるときはメモリ→ CPU，またあるときはその逆に CPU →メモリ，さらに CPU → I/O など，互いに情報を交換するためにバスは図 2 のように時分割的に共用されます．
PCI Express は，パソコンやサーバに必要な機能を備えたボードを追加するための内部バス・インターフェースの一つです．パソコンのインターフェースとしてよく耳にする USB やイーサネット，シリアル，パラレルなどと比べると，より直接的に CPU やメモリと大容量のデータをやりとりできます．
このような用途には従来，PCI や PCI - X といったバスが使われていましたが，
1 PCI Express とは 13

SDメモリカードなど各種カード・インターフェース

光学
ク
ディスCPU

パラレル
シリアル

ハード
ク
ディス

メモリ

PS/2
イーサネット10BASE-T/
100BASE-T/
1000BASE-T

バス
板

拡張基

USB
1.x /2.0/3.0

図1ATA/SATA
PCI/PCI -X/PCI Express用のインターフェース・コネクタ

パソコンには内部にも外部にもさまざまなインターフェースが備えられる

CPU

メモリ

バス
CPU−メモリ間でデータをやりとり
I/O

図2

バスは時分割で動作するバスが使われていない
ときは I/Oからメモリにデータを送れる

PCI バスの置き換えと内部バスの統一を目指して PCI Express が規格化されました．今日では写真 1 のように，ほとんどのパソコンが PCI Express を搭載しています．
さらに高機能コピー機やプリンタなどの事務機器，放送機器や医療機器，計測機器など，パソコンでなくても大容量のデータを転送する必要性がある画像処理用途を中心に特に広がりを見せています．
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Prologue PCI Express の時代がやってきた！

第1PCI Express の基礎知識
プロトコル構成やレジスタや物理層の動作などがしっかり分かる！

章

野崎 原生/畑山 仁

PCI Express のプロトコルは，物理層，データ・リンク層，トランザクション層などに別れた階層構造になっています．ここでは各階層の役割やパケット構造，物理層の動作などについて解説します．
物理層では，高速シリアル・インターフェースを実現しやすいようにさまざまな工夫が施されています．

本章では，次に示す PCI Express の持つさまざまなメリットがどのようにして実現されているのか，そのしくみを説明します．
・ 1 レーンあたり 2.5 Gbps，5 Gbps のデータ・レートが選べる
・ 1，2，4，8，12，16，32 レーンの帯域幅が選べる・送受信ともにシリアル伝送できる・データの信頼性，電力管理，エラー・ロギング/レポートなどの機能・レガシな PCI ソフトウェアと互換である
・ホット・プラグ/ホット・スワップ（活線挿抜）・テストが容易である
・安価な FR- 4 基板を使える

1-1 システム構成とプロトコル階層● 複数のレーンをまとめたものをリンクと呼ぶPCI Express の各デバイスは，ほかのデバイスと接続するためのポートを備えています．ポートは，図 1-1 のような双方向通信を行うために，送受信の 1 組の差動ペアを単位とした「レーン」で構成されます（双対単方向伝送：デュアル・シンプレックス）．送信と受信が独立で，同時にデータ転送できます．
1-1 システム構成とプロトコル階層 25

PCI Expressデバイスの物理層（PHY）
ポート

レーン

リンク

図 1-1 PCI Express のポート，レーン，リンクの関係
各レーンはそれぞれ送信用の差動信号と受信用の差動信号を持つ．
レーンをまとめたものをリンクという．

ポート
PCI Expressデバイスの物理層（PHY）

さらにデータ帯域幅を上げるために，複数のレーンに拡張可能です．レーンをまとめたものをリンクと呼び，x1，x2，x4，x8，x12，x16，x32 リンクが規格化されています．ここで x は「バイ」と呼び，xN リンクとは N 組のレーンで構成されていることを意味します．
例えば現在，パソコン内部ではグラフィックス用に x16 リンクが，外部 I/O 用に x1 リンクが使われています．サーバでは x8 リンクが使用されています．なお，x2，x12，x32 リンクはほとんど使われていません．
● ルート・コンプレックスの下にツリーを作るシステム構成
PCI Express のシステムを構成する要素として，図 1-2 のようにルート・コンプレックス，エンドポイント，スイッチ，ブリッジがあります．
① ルート・コンプレックス
その名のとおり階層の根幹（Root）となるデバイスです．ルート・コンプレッ
クスは一つ，あるいは複数の PCI Express ポートを持ちます．ホスト・ブリッジを内蔵し，CPU やメモリにも接続されます．
② エンドポイント
I/O デバイスを PCI Express ではエンドポイントと呼びます．レガシ・エン
ドポイント，PCI Express エンドポイント，ルート・コンプレックス・エンドポ
イントの 3 種類があります．
③ スイッチPCI Express ポートを増やすためのデバイスです．
④ ブリッジプロトコル変換を行うデバイスです．特に PCI Express でブリッジというと，
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第 1 章 PCI Express の基礎知識第2伝送方式とプリント・パターン設計
章物理現象を理解すれば高速差動伝送は怖くない！
志田 晟

PCI Express は第 1 世代（Gen1）で 2.5 Gbps（ギガ・ビット/秒），第 2 世代（Gen2）で 5 Gbps（Gen2）という高速な信号伝送を行います．このため，基板設計の際に気をつけなければならないポイントがいくつかあります．
本稿では PCI Express の高速差動シリアル信号の回路設計や基板設計，測定を適切に行うために理解しておきたい，差動パターンやグラウンド・パターン，ビア，スルー・ホールなどの配線・配置方法を，シミュレーションなどを交えて分かりやすく解説します．
ほかの一般的な高速差動シリアル信号の伝送を理解するうえでも役立ちます．

2-1 当たり前になってきた高速シリアル信号● PCI Express は 1 レーンで PCI バス並みのデータ転送速度 2.5 Gbps を実現できる
写真 2-1 はパソコンのメイン・ボードの一例です．長さの異なる五つのコネク
タは PCI Express バスの拡張基板用コネクタです．短く 3 個見えるコネクタは1 レーン（x1），長いものは 16 レーン（x16），一番右は 4 レーン（x4）です．一方，
写真 2-1 に示した 2 個のコネクタは従来バスである PCI の拡張コネクタです．
PCI Express は，PCI バス並みのデータ帯域幅を 1 レーンで実現する 2.5 Gbps，5 Gbps といったデータ転送速度があり，基板設計には注意が必要です．ここで図 2-1 のように，データ・レートと周波数は意味が異なるので注意が必要です．
写真 2-2 にメイン・ボードと接続できる 16 レーン対応のグラフィックス・カードの例を示します．高速シリアル信号が最短で配線されていることが分かります．
図 2-2 は PCI Express の 1 レーン分の簡単なブロック図です．送受信それぞれ差動の 1 対の線路で 1 レーンが構成されています．図 2-3（a）はメイン・ボード

2-1 当たり前になってきた高速シリアル信号 53

上を流れる PCI のクロック波形と PCI Express の信号波形，図 2-3（b）は PCI
Express 信号の拡大波形です．PCI Express が PCI よりも随分高速になったことが分かると思います．

16レーン

1レーン

4レーン

PCI Expressコネクタ

写真 2-1

パソコンのメイン・ボード上の PCI Express コネクタ

AC結合キャパシタ
周波数1.25GHz（0.8ns）

2.5Gbps（0.4ns）
データ・レート

図 2-1 データ・レートは周波数の2 倍54b
PCIバス・コネクタ

PCI Express コネクタ

送信バッファ

受信バッファ

受信バッファ

送信バッファ

システム・ボード

図 2-2

エッジ・フィンガ

アドイン・カード

PCI Express の 1 レーンで送受信する信号差動の送受信で構成．電源などは省略している．

第 2 章 伝送方式とプリント・パターン設計

（a）グラフィックス・カード

16ペアPCI Express
差動パターン
AC結合コンデンサ
各ペア2個ずつ並べて配置（b）PCI Express 16レーンの信号パターン

写真 2-2PCI Express グラフィックス・カードの外観

PCI Express の 16 レーンは 4 G バイト/s でデータを送れる．高速グラフィックス・カードは PCI Expressの 16 レーンを用いることが普通になってきている．中央部分に 16 対のパターンが上下に走っていることが分かる．

2-1 当たり前になってきた高速シリアル信号 55

ディエンファシス
約30ns
0.4ns
PCIクロック
PCI Express信号

0.4ns（a）PCIクロックとPCI Express信号（b）PCI Express信号の高周波の減衰による波形の乱れを抑えるディエンファシス

図 2-3 PCI Express の信号波形は高速で小振幅（a）の上の波形が従来の PCI のバス・クロック，下が PCI Express の信号波形．PCI クロックの周期は約 30 ns（33 MHz）と読み取れる．（b）は 0.4 ns で 1 ビットを送っている．PCI Express の伝送速度は，1/（0.4 × 10 − 9）＝ 2.5 × 109 ＝ 2.5 Gbps と分かる．

2-2 マザーボード上の高速インターフェースの信号を考察する
このメイン・ボードにはほかにも USB（480 Mbps），Serial ATA（3 Gbps），HDMI（High-definition Multimedia Interface）など，高速シリアル伝送のいろいろなインターフェースも備えています．写真 2-3（a）は HDMI のコネクタを，写真 2-3（b）は Serial ATA（3 Gbps）のコネクタとケーブルを示します．パラレル伝送としては DDR（Double Data Rate）2 メモリを搭載しています．
このように高速シリアル差動伝送はいたるところで採用されている技術です．
● 高速シリアル伝送波形のいろいろ
メイン・ボード上には PCI Express 以外にもさまざまな高速インターフェースが用意されています．例えば HDMI は最近，地上デジタル放送のハイビジョン表示機器などに使われているディジタルのビデオ信号とオーディオ信号の伝送規格です．信号伝送方式はパソコンの液晶モニタなどに画像を伝送する規格であるDVI（Digital Visual Interface）と同じ TMDS（Transition Minimized DifferentialSignaling）という方式が使われています．PCI Express を含めた代表的な高速シ
リアル差動信号の基本回路を図 2-4 に示します．
図 2-5（a）はメイン・ボード上の PCI バスと HDMI 信号を同時に見たもので，
図 2-5（b）は HDMI 信号の拡大波形です．それぞれ伝送速度が異なります．（a）
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第 2 章 伝送方式とプリント・パターン設計

Appendix

A

アドイン・カードのピン配置と外形寸法
誤挿入防止や取り付けのための工夫が分かる
志田 晟

PCI Express は，x1 から x16 までのレーン数に対応できるように，共通の電源部分とレーン数によって異なる差動信号部分に分けてピンが割り当てられています．アドイン・カードの外形寸法なども決められています．PCI Express と PCI が混在する場合もあるので，誤挿入しないような工夫もほどこされています．
ここではアドイン・カードに要求される仕様について紹介します．

A-1 コネクタのピン・アサイン
PCI Express は送受信の 1 セットを 1 レーンと呼びます．1，4，8，16 レーン
バイワン

バイフォー

（x1，x4，x8，x16 と略記．x1， x4 などと発音される）が規格化されています．
写真 A-1 はパソコンのマザーボードのアドイン・カード用コネクタ部分です．
右の二つが従来の PCI アドイン・カード用コネクタで，それ以外は PCI Expressアドイン・カード用コネクタです．左から 2 列目は x16（通常グラフィック・カードに使われる）に，左から 4 列目は x4 に，それ以外は x1 に対応したコネクタです．
表 A-1 はアドイン・カードの x1，x4，x8，x16 のコネクタのピン・アサイン
表です．ピン番号 1 〜 11 は x1 〜 x16 に共通で，主に電源供給の部分です．写真
A-1 の PCI Express コネクタで手前の部分に共通の区切りがありますが，この区切りの手前の部分が相当します．
ピン番号 12 以降が主に差動信号伝送部分です．サイド A 側に送信（トランスミッタ），サイド B 側に受信（レシーバ）信号がまとめられています．この送信と受信はマザーボード（システム・ボード）側から見たときの送受信となっています．
図 A-1 はマザーボード側のコネクタの例です．
また，x16 などの大きいバス幅のコネクタに x1 や x4 などの，よりレーン数がA-1 コネクタのピン・アサイン 83

x16で使われる固定用の機構

x16x4x1

PCI Express用コネクタ

写真 A-1

PCI用コネクタ

マザーボードの PCI Express 用コネクタと PCI 用コネクタ

表 A-1（1） PCI Express のピン・アサイン
濃いグレーの信号は補助信号．

（a）共通部分1234

名 称＋12 V＋12 V＋12 V
GND

5SMCLK

6SMDAT

7GND

サイド B
説 明
12 V 電源12 V 電源12 V 電源グラウンド
SMBus（システム・マネジメント・バス）
クロック
SMBus（システム・マネジメント・バス）データ
グラウンド

8＋3.3 V

3.3 V 電源

9JTAG110113.3 Vaux
WAKEピン番号84

名 称PRSNT1＋12 V＋12 VGND
JTAG2

サイド A
説 明
ホット・プラグ検出
12 V 電源12 V 電源グラウンド
TCK（テスト・クロック），JTAG クロック入力

JTAG3

TDI（テスト・データ入力）

JTAG4

TDO（テスト・データ出力）
TMS（テスト・モード・セレクト）

JTAG5

TRST（テスト・リセット）＋3.3 VJTAG リセット＋3.3 V
3.3 V 補助電源
リンク再アクティブ信号 PERST

Appendix A アドイン・カードのピン配置と外形寸法

3.3 V 電源
3.3 V 電源
基本リセット