０引言

主机总线适配器（ＨｏｓｔＢｕｓＡｄａｐｔｅｒ，ＨＢＡ）是一种电路板或集成电路适配器，为计算机或服务器

与存储设备之间提供物理连接［１］。除了物理连接，ＨＢＡ还执行输入／输出处理。使用ＨＢＡ适配器卡，

主机的微处理器不必执行数据存储和检索操作，提高了服务器的性能［２］。高速串行计算机扩展总线标

准（ＰｅｒｉｐｈｅｒａｌＣｏｍｐｏｎｅｎｔＩｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔＥｘｐｒｅｓｓ，ＰＣＩｅ）是一种高速串行计算机扩展总线标准，ＰＣＩｅ１．０

单通道速度达到２．５Ｇｂ／ｓ，ＰＣＩｅ４．０的标准传输速率高达１６．０Ｇｂ／ｓ。在如此之高的传输速率下，保障

印刷电路板（ＰｒｉｎｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔＢｏａｒｄ，ＰＣＢ）布线的信号完整性非常重要［３－４］。Ｗｉｎ等［５］提出了一种新的可

以准确测试ＰＣＢ高速差分接口频域信道误码率参数的规范技术，测试参数包括插入损耗、串扰、反射

等。Ｔｈａｋｅｒ等［６］设计了一种应用于ＰＣＢ的宽带差分传输线，用于测试均衡器集成电路，保证了信号的

完整性。邹景［７］研究了ＰＣＢ存储器高速接口ＰＣＢ传输线的信号完整性。巫玲［８］使用Ｃａｄｅｎｃｅ公司的

ＡｌｌｅｇｒｏＰＣＢＳＩ／ＰＩ工具探究了信号完整性相关问题的理论基础，并提出相应的解决策略。文献［９］中，

本文作者设计了一款ＰＣＩｅ总线至ＳＡＳ／ＳＡＴＡ接口数据传输的ＨＢＡ控制器芯片，对ＨＢＡ控制器芯

片封装基板ＰＣＩｅ４．０信号进行Ｓ参数仿真和眼图仿真，验证了ＰＣＩｅ４．０信号的完整性，在此基础上，本

文运用文献［９］设计的芯片，设计了一款ＰＣＩｅ４．０×４Ｌａｎｅ／ＳＡＳ３．０／ＳＡＴＡ３．０ＨＢＡ卡ＰＣＢ，采用

ＣａｄｅｎｃｅＳｉｇｒｉｔｙ对ＰＣＢ文件进行建模和频域、时域仿真，并通过仿真实验验证了ＨＢＡ卡ＰＣＢ的

ＰＣＩｅ４．０信号完整性，完成了ＨＢＡ芯片从无到有，从芯片基板封装到实际ＨＢＡ卡ＰＣＢ的信号完整性

研究。

１ＨＢＡ卡ＰＣＢ设计

本文采用ＣａｄｅｎｃｅＡｌｌｅｇｒｏ软件设计了一款基于ＰＣＩｅ４．０转８路ＳＡＳ３．０／ＳＡＴＡ３．０的ＨＢＡ芯片

的ＨＢＡ卡ＰＣＢ。ＰＣＩｅ总线使用端到端的连接方式，１个ＰＣＩｅ物理链路的两端只能各自连接１个设

备，但可以由多个数据通路Ｌａｎｅ组成，本文研究的ＨＢＡ卡电路能实现４个Ｌａｎｅ。ＰＣＩｅ总线的物理链

路的一个Ｌａｎｅ如图１所示。ＰＣＩｅ总线属于高速差分总线，１个Ｌａｎｅ共包含由４根信号线组成的２对

差分对，即发送逻辑（Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ，ＴＸ）和接受逻辑（Ｒｅｃｅｉｖｅｒ，ＲＸ）。

ＨＢＡ卡ＰＣＢ的设计首先需要考虑的是信号传输路径的阻抗、ＰＣＢ板材的损耗因子、ＰＣＢ层叠结

构、信号线等因素，尤其是差分阻抗、差分线走线规则，对信号完整性和电源完整性的影响［１０］。ＰＣＢ尺

寸为６５７５ｍｉｌ×４７２８ｍｉｌ，总厚度为１．６５２ｍｍ，采用８层板结构。图２展示了ＰＣＢ的ＴＯＰ层和

ＢＯＴＴＯＭ层版图。表１展示了８层板结构信息。８层板结构依次为主要走ＲＸ差分信号的ＴＯＰ层、

实心地平面、高速信号和电源平面、电源平面、地平面、高速信号和电源平面、实心地平面和主要走ＴＸ

差分信号的ＢＯＴＴＯＭ层。

本文使用ＣａｄｅｎｃｅＡｌｌｅｇｒｏ软件设计ＰＣＢ文件，部分设计规则如下：ＰＣＢ板外层差分线最小线宽为

４．２ｍｉｌ，最小线距为８．８ｍｉｌ，内层差分线最小线宽为４．３ｍｉｌ，最小线距为８．８ｍｉｌ，差分线阻抗要求为

（１００±１０）Ω；单端信号线的最小线宽为５．０ｍｉｌ，最小线距为１２．０ｍｉｌ，单端阻抗要求为（５０±５）Ω。其中

ＰＣＩｅ４．０ＴＸ信号的耦合电容选择的是ｍｕＲＡＴＡ公司的０．２２μＦ的电容，型号为ＧＲＭ０３３Ｒ６０Ｊ２２４ＭＥ１５。

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技术规格

数据传输速率

12GB/s SAS 3.0 Compliant

SAS横幅宽度

Half Duplex(x8 wide bus)

9600MB/s

端口配置

8 ea，x1 ports（单个驱动器）

2 ea，x4 wide ports

LED管理

参考SFF-8485(SGPIO) compliant

PCI电源

13W

主机总线

x8 lane，PCle 3.0

PCI数据传输速率

Half Duplex

x8 PCle 3.0 8000MB/s

环境

**工作温度：**0℃-55℃

存储：-45℃-105℃

5-90% non-condensing

**气流：**200LFM

集成RAID

14 spread across 2 volumes

RAID 0 10per volume

RAID 1 2per volume plus hot spare

RAID 1E 10per volume

RAID 10 10per volume

MTBF

>2800000 小时