Brochage PCI Express : le connecteur de carte, de x1 à x16

Côté A, côté B et sens des paires

Le côté B est la face composants de la carte, le côté A la face soudure. Les broches A1 et B1 se font face, de part et d’autre de la carte. La broche 1 est à l’extrémité de l’équerre : le court segment des broches 1 à 11 porte l’alimentation et les signaux auxiliaires, et la distance entre le détrompeur et l’équerre est la même pour toutes les largeurs.

Le piège classique est le nom des paires. La CEM les nomme depuis la carte mère : PETp0/PETn0 (B14, B15) est l’émetteur de la carte mère, que la carte reçoit ; PERp0/PERn0 (A16, A17) est l’émetteur de la carte. Sur une carte d’extension, l’émission du composant PCIe part donc vers le côté A, sa réception arrive du côté B. Les tables publiques de cartes NVIDIA et LimeFEA le confirment : B14 y est l’entrée RX de la carte, A16 sa sortie TX.

PRSNT1# et PRSNT2# : câblage selon la largeur

Chaque largeur de connecteur se termine par une broche PRSNT2# : B17 pour x1, B31 pour x4, B48 pour x8, B81 pour x16. Sur la carte, PRSNT1# (A1) est reliée par une piste à la broche PRSNT2# la plus éloignée, celle de sa propre largeur. Les PRSNT2# intermédiaires restent non connectées : une carte x4 relie A1 à B31 et laisse B17 libre, une carte x16 relie A1 à B81 et laisse B17, B31 et B48 libres.

Côté carte mère, ce bouclage sert à la détection de présence pour le hot-plug : la PRSNT2# qui revient reliée à PRSNT1# indique qu’une carte est en place et sa largeur mécanique. Les contacts PRSNT sont plus courts que les autres, pour n’être reliés qu’une fois la carte complètement insérée.

PERST#, REFCLK et CLKREQ#

PERST# (A11) est le reset fondamental, piloté par la carte mère. La CEM impose qu’il reste actif au moins 100 ms après la stabilisation des alimentations, et au moins 100 µs après la stabilisation de REFCLK. Il doit repasser actif dans les 500 ns qui suivent la sortie de tolérance d’une alimentation, et une impulsion de reset dure au moins 100 µs.

REFCLK+/REFCLK- (A13, A14) est l’horloge de référence fournie par la carte mère : 100 MHz en logique HCSL, à ±300 ppm jusqu’au PCIe 4.0 et ±100 ppm en PCIe 5.0 et 6.0. La modulation d’étalement de spectre (SSC) n’est pas exigée par la spécification ; elle sert à réduire les émissions et congatec l’active par défaut sur la plupart de ses produits x86.

CLKREQ# (B12) est apparu avec l’ECN L1 PM Substates de 2013 ; la broche était réservée avant. C’est un signal optionnel en drain ouvert, que la carte tire à l’état bas pour demander l’horloge de référence ; avec les sous-états L1, la carte mère comme la carte peuvent l’activer pour sortir de L1. Le rappel au niveau haut est sur la carte mère.

WAKE#, +3,3Vaux, SMBus, JTAG et PWRBRK#

WAKE# (B11) est un signal en drain ouvert, actif à l’état bas, avec le rappel sur la carte mère. Il n’est requis que si la carte ou le système gère le réveil (ou le mécanisme OBFF). Pour réveiller une machine éteinte, la carte doit être alimentée en veille : c’est le rôle de +3.3Vaux (B10), optionnel côté système, limité à 375 mA par la CEM.

Le SMBus (SMCLK B5, SMDAT B6) et le JTAG (A5 à A8, TRST# en B9) sont optionnels, chacun en bloc : si la fonction est implémentée, toutes ses broches le sont. Les niveaux d’entrée SMBus sont référencés à l’alimentation de veille 3,3 V, pas au +3,3 V principal. Les cartes NVIDIA BlueField et LimeFEA citées en sources laissent le JTAG non connecté.

PWRBRK# (B30, à partir du x4) a été défini par une ECN de 2015 sur une broche jusque-là réservée. Drain ouvert, actif à l’état bas, piloté par le système : une carte qui le gère doit réduire sa consommation en 10 µs au plus. Elle porte un rappel faible (95 kΩ minimum), le système un rappel plus fort. L’ECN signale des usages propriétaires antérieurs de B30 : une carte mère qui y tire un niveau bas peut brider une carte récente.

Condensateurs de liaison, polarité et inversion de lanes

Chaque paire est couplée en alternatif, et les condensateurs se placent du côté de l’émetteur : la carte d’extension porte ceux de ses paires PERp/PERn (côté A), la carte mère ceux de ses paires PETp/PETn (côté B). Une carte ne met donc aucun condensateur sur les paires qu’elle reçoit. La spécification de base demande 75 à 265 nF en Gen 1 et 2, 176 à 265 nF en Gen 3 : une valeur de 220 nF couvre les deux.

L’inversion de polarité est obligatoire pour tout récepteur PCI Express, sur chaque lane indépendamment : on peut croiser p et n d’une paire de données pour simplifier le routage, le récepteur corrige seul pendant l’entraînement du lien. La carte d’E/S du Raspberry Pi CM4 le fait sur son slot x1. L’inversion de l’ordre des lanes (lane 0 sur lane 3) est en revanche optionnelle : vérifiez que l’un des deux composants la prend en charge avant de router une liaison x4 à l’envers.

Puissance disponible sur le slot

Toutes les alimentations sont sur les broches 1 à 11 : un connecteur plus large n’apporte aucune broche d’alimentation de plus. Quelle que soit la largeur, le +3,3 V est limité à 3 A. Ce qui change est le +12 V et la puissance totale : une carte x1 est limitée à 10 W (0,5 A sur +12 V) ; une carte x4 ou plus large à 25 W (2,1 A sur +12 V). Une carte x1 pleine hauteur peut monter à 25 W une fois configurée par le logiciel comme carte haute puissance.

Une carte graphique x16 pleine taille peut tirer 75 W du slot (5,5 A sur +12 V) après configuration en haute puissance. Au-delà, l’énergie arrive par les connecteurs auxiliaires 6 ou 8 broches, pas par le connecteur de carte. Le +3,3Vaux est limité à 375 mA. Dimensionnez la carte sur le budget de sa propre largeur, pas sur celui du slot qui l’accueille.

x8 et x16 : la suite du même motif

À partir de la broche 33, chaque lane occupe quatre broches et le motif se répète. Côté B, la paire PET de la lane 4 est en B33-B34, celle de la lane 5 en B37-B38, et ainsi de suite tous les quatre ; côté A, la paire PER est décalée de deux broches (lane 4 en A35-A36, lane 7 en A47-A48). Les broches restantes sont des masses. Le connecteur x8 se termine en broche 49, avec PRSNT2# en B48 ; A32 et A33 sont réservées.

Le x16 reprend en broche 50 avec un décalage d’une broche : A50 est réservée, la lane 8 émet en B50-B51 et reçoit en A52-A53, jusqu’à la lane 15 en B78-B79 et A80-A81. Le connecteur se termine en broche 82, avec PRSNT2# en B81, B82 réservée et A82 à la masse. Une carte x16 a donc ses quatre PRSNT2# possibles ; elle n’en relie qu’une, B81.

Une carte entre dans un slot de sa taille ou plus grand, et la liaison négocie la largeur commune. La largeur mécanique ne garantit pas les lanes câblées : un slot x16 peut n’être câblé qu’en x4 (noté « x16 @ x4 » ou « x16 (x4 mode) »).