【每日一题】PCIe 里的 RefClk (Reference Clock) 到底是干什么的?(二)
2025-11-28 16:04:18
昨天发的一篇文章《PCIe 里的 RefClk (Reference Clock) 到底是干什么的?》有一张附图如下,有些朋友问到SerialTek PCIe 5.0/6.0协议分析仪监控的这个US PCIe Reference Clock Locked和DS PCIe Reference Clock Locked到底是什么意思?

其实,在 PCIe 协议分析仪、链路训练日志、PHY 状态机输出里,确实经常会看到类似:

  • US PCIe Reference Clock Locked

  • DS PCIe Reference Clock Locked

很多工程师第一反应是 “US = Upstream?DS = Downstream?”, 但 这里的 US / DS 根本不是数据链路里的 Upstream / Downstream 含义

✅ 先说结论

在 RefClk 相关指标里,US / DS 表示的是两条差分线立在芯片内部的两个接收路径: Up-Stream CDR path = US Down-Stream CDR path = DS 它不是 PCIe 拓扑里的 Upstream Port / Downstream Port!

换句话说:

  • US Clock Locked = 芯片内部用于“向上传给内部 PLL / CDR 的 refclk 接收路径”取得锁定

  • DS Clock Locked = 芯片内部用于“向下给 SerDes Tx/Rx 用的 refclk 路径”取得锁定

很多 PHY 内部会把同一对差分时钟 拆成两个不同用途的 clock domain,分别给不同的逻辑模块使用,因此会有两个锁定状态。

它和 PCIe 拓扑方向完全无关。


⭐ 为什么会出现 US / DS 两个“Locked”状态?

PCIe PHY 通常包含:

① 一个或多个 PLL / LC-tank / CDR,用来生成高速串行线的 bit rate(例如 16GT/s, 32GT/s)

这些 PLL 需要一个参考时钟,有的芯片内部把同一个外部 refclk fanout 成多个内部路径。

② 数字逻辑侧需要另外一个 refclk 或衍生时钟(给 LTSSM、逻辑计时器等)

为了避免时钟域交叉、减少 jitter 注入,设计上可能将时钟树分为 US 与 DS 分支。

因此:

  • US refclk = 用于 PHY CDR / SerDes 主链路

  • DS refclk = 用于逻辑、控制器、PCIe 链路管理域 (不同厂家命名略有差异,但都是内部不同 clock domain)

于是,PCIe分析仪就会把这两条内部时钟的锁定状态分别标出来。


⭐ 那为什么PCIe协议分析仪要标这么细?

因为 refclk 对 PCIe 链路训练极其关键:

  • 如果 US RefClk Locked = No → CDR 无法锁定 → Link Training 永远停在 Polling 或 Detect

  • 如果 DS RefClk Locked = No → 逻辑域定时异常 → LTSSM 状态机跑不稳、训练后报错、掉 link、或者 error 频繁

所以工具把两条时钟锁定分开显示,便于 FA(故障分析)。


⭐ 那 Upstream Port / Downstream Port 是什么?

PCIe 拓扑定义里:

  • Downstream Port (DSP):在 RC / Switch 侧

  • Upstream Port (USP):在 Endpoint / Switch 上行端

这是数据链路方向,与 RefClk 完全不是一个维度的概念。

RefClk 根本不按 Upstream/Downstream 方向传输 它只是 从 clock 源扇出到各个 device 的差分时钟对

所以:

“US PCIe RefClk” ≠ Upstream Port 的 refclk “DS PCIe RefClk” ≠ Downstream Port 的 refclk

这两个指标根本与拓扑无关,只是 PHY 时钟树内部的分支名称。


✔ 总结

为什么分析仪上 RefClk 会显示 US / DS? 因为 PHY 内部将同一个外部 100 MHz RefClk 拆成不同用途的时钟域(一般用于 CDR 与逻辑), 因此工具会分别显示:

  • US RefClk Locked:高速串行侧 PLL / CDR 是否锁定

  • DS RefClk Locked:逻辑域或下游时钟域是否锁定

这两个 US/DS 都不是 PCIe 拓扑(上/下游端口)含义,只是内部时钟树命名。

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