해커를 위한 PCIe: Diffpair 서곡

Sep 10, 2023

PCI-Express라고도 알려진 PCIe는 매우 강력한 인터페이스입니다. 그럼 이렇게 강력한 것을 해킹하려면 무엇이 필요한지 살펴보겠습니다. PCIe는 처음에는 다소 위협적이지만 PCIe 구축을 시작하는 것은 합리적으로 간단하고 인터페이스는 취미 수준 기술에 매우 탄력적입니다. 설계에 PCIe 칩을 사용하거나 특정 컴퓨팅 모듈에서 사용 가능한 PCIe 연결을 활용하고 싶을 때가 올 것이며 이에 대한 준비가 되어 있는지 확인하는 것이 좋습니다.

PCIe는 이제 어디에나 있습니다. 모든 최신 컴퓨터에는 중요한 기능을 수행하는 여러 개의 PCIe 장치가 있으며, 심지어 iPhone도 내부적으로 PCIe를 사용하여 CPU를 플래시 및 WiFi 칩과 연결합니다. 모든 종류의 PCIe 장치를 얻을 수 있습니다. 이더넷 컨트롤러, 높은 처리량의 WiFi 카드, 그래픽, 그리고 PCIe를 통해 연결할 때 기꺼이 많은 스토리지를 제공하는 모든 저렴한 NVMe 드라이브 등이 있습니다. 노트북이나 단일 보드 컴퓨터를 해킹하고 PCIe 장치를 추가하려는 경우 PCIe 운반 소켓 중 하나에서 일부 PCIe를 얻거나 없는 경우 기존 PCIe 링크를 탭하면 됩니다. 연결할 소켓입니다. PCIe 장치를 사용하기 시작한 지 20년이 지났습니다. 이제 PCIe는 5.0 개정판에 있으며 계속 유지될 것이 분명합니다.

PCIe는 메인보드의 일련의 장치를 연결할 수 있는 구형 버스인 PCI와 달리 두 장치를 함께 연결하는 지점 간 버스입니다. PCIe 링크의 한 쪽은 장치이고 다른 쪽은 호스트입니다. 예를 들어 노트북의 CPU에는 여러 개의 PCIe 포트가 있습니다. 일부는 GPU를 연결하는 데 사용되고, 일부는 WiFi 카드를 연결하는 데 사용되고, 일부는 이더넷에 사용되고, 일부는 NVMe 드라이브에 사용됩니다.

각 PCIe 링크는 최소 3개의 차동 쌍으로 구성됩니다. 하나는 거의 항상 링크에 필요한 100MHz 클록 REFCLK이고, PCIe 레인을 형성하는 두 쌍(하나는 전송용, 다른 하나는 수신용)입니다. 이것은 x 링크입니다. 또한 2x, 4x, 8x 및 16x 링크를 가질 수 있으며, 각각 4개, 8개, 16개, 32개 차동 쌍과 REFCLK도 있습니다. 링크가 넓을수록 처리량이 높아집니다!

이제 PCIe의 링크 폭은 멋진 측면이 많이 포함된 재미있는 주제입니다. 하지만 먼저 PCIe의 맥락에서 "차동 쌍"이 의미하는 바에 관해 동일한 페이지에 있는지 확인하는 것이 좋습니다. 여기 Hackaday에서 우리는 이전에 차동 쌍의 핵심에 대해 이야기한 적이 있습니다. 차동 쌍에 대해 자세히 알아보고 싶다면 반드시 해당 글을 다시 방문하세요! 여기서는 기본 사항을 빠르게 설명하고 특히 PCIe용 차동 쌍을 사용할 때 알아야 할 사항을 알려 드리겠습니다.

간단히 말해서 차동 쌍은 두 개의 신호로, 하나는 항상 다른 신호와 반대이며, 하나는 일반적으로 양수라고 하고 다른 하나는 음수라고 합니다. "단일 종단"이라고 하는 일반적으로 수행하는 것처럼 각 개별 신호의 논리 레벨을 접지와 비교하는 대신 두 신호를 서로 비교하여 전송되는 비트의 논리 레벨을 얻습니다. 차동 쌍을 사용하면 신호가 서로 가깝고 케이블과 관련하여 서로 얽혀 있기 때문에 결과적으로 모든 간섭이 신호에 동일하게 영향을 미칩니다. 신호가 정보를 수신하기 위해 서로 비교되므로 이는 수신된 정보가 두 신호 모두에 중첩된 노이즈의 영향을 받지 않습니다. 또한 차동 쌍은 두 신호의 자기장이 서로 상쇄되도록 하여 링크의 잡음을 줄여줍니다.

결과적으로 차동 쌍을 사용하면 소음이 발생하거나 소음에 취약해지는 일 없이 변속기 속도를 높일 수 있습니다. 결과적으로 대다수의 고속 인터페이스는 이더넷, PCIe, HDMI, DisplayPort, LVDS 및 심지어 USB와 같은 차동 쌍을 사용합니다. USB 2는 의사 차동일 뿐이지만 USB 3은 진정한 차동입니다. RS485 및 CAN과 같은 탄력적인 인터페이스도 차동 쌍을 사용합니다. 애호가가 CAN과 같은 인터페이스를 사용하여 차동 쌍으로 시작하는 것은 쉽고 USB 2도 문제가 되지 않습니다. 단거리에서는 차동 신호이고 이론적으로 특별한 처리가 필요함에도 불구하고 무슨 일이 있어도 작동합니다.