【经验】电科星拓时钟Buffer芯片TBUF1510在客户服务器上的应用案例详解

上期我们详细介绍了时钟Buffer芯片以及关键的参数（【技术】解析时钟Buffer芯片及关键参数），本次分享TBUF1510在大客户的应用经验，帮助大家深入理解时钟Buffer的应用。首先我们先回顾TBUF1510关键规格和优势参数。

TBUF1510规格参数

TBUF1510—10路输出超低附加抖动差分时钟缓冲器

1、产品特性

· 灵活支持单端、差分和晶体输入

· 10路差分输出，最高1.5GHz，支持LVPECL、LVDS、HCSL模式

· 附加抖动<30fs（@100MHz HCSL模式）

· LVCMOS高达200MHz参考输出

· 从输入到输出通道的低延迟（typ＜0.8ns）

· 工作电压：2.5V/3.3V

· 温度范围：-40℃~85℃

· QFN-48封装（7mmx7mm）

2、关键优势

· 附加抖动 ：超低

· 传输延时 ：低

· 输出偏移 ：低

了解完TBUF1510的相关规格和优势，我们进入今天的主题，下图展示了TBUF1510在客户服务器上的应用。

图1 TBUF1510应用场景与应用框图

PCH自身产生三个100MHz的基频时钟，经过三颗TBUF1510就会扇出三十个时钟信号，分别提供给CPU、RISER SLOT、SNIC、BMC、M.2接口卡和外设接口等稳定的时钟，以保证他们可以正常稳定长期地工作。为了更好的理解图1中的应用框图，下面先通过图2的主板3D效果图让大家有一个简单的认识，然后我们再通过6个部分来详细讲解主板的大体架构、重要组成部件和TBUF1510的应用。

图2 主板3D示意图

01、PCH（平台控制集成器）

对于图1中PCH这个概念我们在此来做个详细介绍，它是Platform Controller Hub（平台控制集成器）的缩写，它还有一个大名鼎鼎的中文名字：“南桥”。一提南桥，相信很多小伙伴都会恍然大悟，原来南桥就是PCH。

具体南桥在主板上到底有什么用呢？

要解答这个问题，那就不得不提PCH的前身ICH了。ICH和PCH一样，是一个英文名称I/O Controller Hub的缩写。一看到I/O，相信小伙伴们顿时明白了，这不就是Input/Output的缩写嘛！！！

到此，顾名思义，大家应该都大体知道ICH的作用了。输入输出控制中心，职责就是负责I/O总线之间的通信，例如PCI总线、IDE设备、USB、LAN、ATA、SATA、音频控制器、键盘控制器、实时时钟控制、高级电源管理等。

PCH作为统管大部分IO设备的最后一个江湖大佬，而ICH到PCH的转变却十分的小，时至今日，除了DMI随着PCIe3.0升级到DMI3.0，增加了更多的功能外，其它变化相对较小。为了给大家更为直观的认知，请看下面图示：

PCH的概念就介绍到这里，下面我们一起来看下PCH是怎么控制实时时钟输出的。

02、实时时钟的输出原理

主板上一般会有一个基准的24MHz频率无源晶振XTAL，它接入南桥PCH的嵌入式时钟控制器ICC（Integrated Clock Control），经过其中的PLL和差分器，输出100MHz的时钟信号CLKOUT_CPUBCLK_PIN。这个CLKOUT_CPUBCLK_PIN就是大名鼎鼎的BCLK。

图3 PCH内部时钟产生的原理图

BCLK也叫做基频（Base Clock，BCLK），它像天山上流下来的第一股泉水，从南桥流出，汇入CPU，从此不断分叉，滋养了其中大多数IP，如内核、核显，也包括今天的主角CPU Cores。大家通过下图4关于PCH提供时钟的概念图相信就会有一个直观的理解了。

图4 PCH提供时钟的概念图

它是基准频率，其他的频率都是在它的基础上变换出来的，以下是基于基频变化的时钟树简图。

图5 基于基频变化的时钟树简图

CPU中的各个器件并不是工作在100MHz上，各个IP有自己的倍频（Multiplier)为自己服务。例如CPU内核的频率就是这样计算的：

CPU主频 = 基频BCLK×倍频

举个例子，标称3.5GHz的CPU，它的基频是100MHz，内核的倍频是35，算下来就是：100×35=3.5GHz

倍频器（Multiplier)

举个PLL Clock Multiplier的例子，它的原理很简单，就是通过S0，S1两个pin脚来控制输出clock对输入clock的倍数，如下图红框部分：

关于实时时钟输出原理就介绍到这里，下面我们再来看下主板上的另外一部分DMI接口。

03、DMI接口

DMI是Direct Media Interface(直接媒体接口)。由Intel公司开发用于连接主板南北桥的总线，取代了以前的Hub-Link总线。DMI采用点对点的连接方式，时钟频率为100MHz，由于它是基于PCIe总线，同样采用8bit/10bit（有效位宽8bit）编码因此具有PCIe总线的优势。

在4系列芯片组没有取消前端总线FSB时，DMI是Intel公司开发用于北桥(G)MCH（Graphics&Memory controller hub）和南桥ICH10/ICH7之间的芯片连接总线。DMI实现了上行与下行双向数据传输率，单通道单向传输速率达到2.5GT/s，采用8bit/10bit编码，共计4条通道。这个高速接口集成了高级优先服务，允许并发通讯和真正的同步传输能力。它的基本功能对于软件是完全透明的，因此早期的软件也可以正常操作。

从5系列芯片组开始的新构架设计中，前端总线被取消，北桥芯片的功能被整合进CPU中。显卡采用了PCIeX16的通道直连CPU，当有多卡使用需求时，可按实际应用分为X8+X8（双卡）或X8+X4+X4（三卡）（具体分配方式要参考主板设计）。因为在PCIe2.0的应用中，DMI接口升级到了DMI2.0，单通道单向传输速率达到5GT/s。同时DMI2.0也不再用于南北桥芯片的连接，而是用于CPU和芯片组（原南桥芯片组）的连接。

图6 PCH与CPU的连接通信图

04、BMC的介绍

在介绍BMC之前需要了解一个概念，即平台管理（platform management）。平台管理表示的是一系列的监视和控制功能，操作的对象是系统硬件。比如通过监视系统的温度，电压，风扇、电源等等，并做相应的调节工作，以保证系统处于健康的状态。

当然如果系统真的不正常了，也可以通过复位的方式来重新启动系统。同时平台管理还负责记录各种硬件的信息和日志记录，用于提示用户和后续问题的定位。下图是平台管理涉及到的功能概述：

以上的这些功能可以集成到一个控制器上来实现，这个控制器被称为基板管理控制器（Baseboard Manager Controller，简称BMC）。需要说明BMC是一个独立的系统，它不依赖于系统上的其它硬件（比如CPU、内存等），也不依赖于BIOS、OS等（但是BMC可以与BIOS和OS交互，这样可以起到更好的平台管理作用，OS下有系统管理软件可以与BMC协同工作以达到更好的管理效果）。

图7 BMC的工作原理图

05、应用图中几个模块简介

对于服务器网卡（Server Network Interface Card，简称SNIC）、M.2接口所对应设备来说，他们是通过一对或者多对REFCLKP/N差分时钟来保证信号稳定性的。也就是说，PCH将所需要的时钟传给TBUF1510，而TBUF1510接收到所需要的时钟信号，会扇出多路时钟，分别提供服务器网卡、M.2接口所对应设备。TBUF1510这种扩展能力也极大解决了PCH时钟信号数量不够用的窘迫之态。以下为相关的图示供大家参考。

SNIC

在服务器领域中，OCP和I350统称为服务器网卡，下面我们带大家简单看下OCP和I350网卡。

图8 OCP网卡应用原理图

图9 I350网卡图

M.2

按照接口类型分，可以把M.2接口分为Socket 2和Socket 3；

Socket 2也可以叫做B key，支持SATA，PCIe×2；

Socket 3也可以叫做M key，支持SATA，PCIe×4；

06、TBUF1510的应用

通过前面五个部分的介绍，实时时钟是如何由PCH控制的原理，以及后面所支持的设备和接口，相信大家已经有了初步了解。

那现在问题来了，PCH自身所产生的时钟是有限的，主板上各色各样的芯片、外设接口以及扩展接口，例如图1中的CPU、RISER SLOT、BMC、CONN、M.2、SNIC等，都需要时钟才可以正常工作。

时钟就如同人的心脏一样是节拍器，只有它稳定地工作，整个系统才可以高效有序的运转。此时，TBUF1510的优势就体现出来了，一个时钟输入可以扇出十个时钟输出。再加上TBUF1510的三大关键优势和众多大客户对产品的认可，相信不久的将来一定可以打出一片属于自己的天地。