总线技术的演进过程 - pcie接口定义及知识解析

　　PCI Express总线技术的演进过程

　　PCI Express总线技术的演进过程，实际上是计算系统I/O接口速率演进的过程。PCI总线是一种33MHz@32bit或者66MHz@64bit的并行总线，总线带宽为133MB/s到最大533MB/s，连接在PCI总线上的所有设备共享133MB/s～533MB/s带宽。这种总线用来应付声卡、10/100M网卡以及USB 1.1等接口基本不成问题。随着计算机和通信技术的进一步发展，新一代的I/O接口大量涌现，比如千兆（GE）、万兆（10GE）的以太网技术、4G/8G的FC技术，使得PCI总线的带宽已经无力应付计算系统内部大量高带宽并行读写的要求，PCI总线也成为系统性能提升的瓶颈，于是就出现了PCI Express总线。

　　PCI Express总线是一种完全不同于过去PCI总线的一种全新总线规范，与PCI总线共享并行架构相比，PCI Express总线是一种点对点串行连接的设备连接方式，点对点意味着每一个PCI Express设备都拥有自己独立的数据连接，各个设备之间并发的数据传输互不影响，而对于过去PCI那种共享总线方式，PCI总线上只能有一个设备进行通信，一旦PCI总线上挂接的设备增多，每个设备的实际传输速率就会下降，性能得不到保证。PCI Express以点对点的方式处理通信，每个设备在要求传输数据的时候各自建立自己的传输通道，对于其他设备这个通道是封闭的，这样的操作保证了通道的专有性，避免其他设备的干扰。以串行方式提升频率增进效能，关键的限制在于采用什么样的物理传输介质。人们普遍采用铜线路，而理论上铜这个材质可以提供的传输极限是10 Gbps。这也就是为什么PCI Express的极限传输速度的答案。

　　在传输速率方面，PCI Express总线利用串行的连接特点将能轻松将数据传输速度提到一个很高的频率，达到远超出PCI总线的传输速率。PCI Express的接口根据总线位宽不同而有所差异，包括x1、x4、x8以及x16（x2模式将用于内部接口而非插槽模式），其中X1的传输速度为250MB/s，而X16就是等于16倍于X1的速度，即是4GB/s。与此同时，PCI Express总线支持双向传输模式，还可以运行全双工模式，它的双单工连接能提供更高的传输速率和质量，它们之间的差异跟半双工和全双工类似。因此连接的每个装置都可以使用最大带宽，PCI Express接口设备将有着比PCI设备优越的多的资源可用。

　

　　除了这些，PCI Express设备能够支持热拔插以及热交换特性，支持的三种电压分别为+3.3V、3.3Vaux以及+12V。考虑到显卡功耗的日益上涨，PCI Express而后在规范中改善了直接从插槽中取电的功率限制，16x的最大提供功率达到了70W，比AGP 8X接口有了很大的提高。基本可以满足未来中高端显卡的需求。

　　可以看到PCI Express只是南桥的扩展总线，它与操作系统无关，所以也保证了它与原有PCI的兼容性，也就是说在很长一段时间内在主板上PCI Express接口将和PCI接口共存，这也给用户的升级带来了方便。由此可见，PCI Express最大的意义在于它的通用性，不仅可以让它用于南桥和其他设备的连接，也可以延伸到芯片组间的连接，甚至也可以用于连接图形芯片，这样，整个I/O系统将重新统一起来，将更进一步简化计算机系统，增加计算机的可移植性和模块化。PCI Express已经为PC的未来发展重新铺设好了路基，下面就要看PCI Express产品的应用情况了。

　　PCI Express 2.0是PCI Express总线家族中的第二代版本。其中第一代的PCI Express 1.0标志于2002年正式发布，它采用高速串行工作原理，接口传输速率达到2.5GHz，而PCI Express 2.0则在1.0版本基础上更进了一步，将接口速率提升到了5GHz，传输性能也翻了一番。新一代芯片组产品均可支持PCI Express 2.0总线技术，X1模式的扩展口带宽总和可达到1GB/s，X16图形接口更可以达到16GB/s的惊人带宽值。

　　在对可制造性、成本、功耗、复杂性、兼容性等诸多方面进行综合、平衡之后，PCI-E 3.0规范将数据传输率提升到8GHz（最初也预想过10GHz），并保持了对PCI-E 2.x/1.x的向下兼容，继续支持2.5GHz、5GHz信号机制。基于此，PCI-E 3.0架构单信道（x1）单向带宽即可接近1GB/s，十六信道（x16）双向带宽更是可达32GB/s。

　　PCI-E 3.0同时还特别增加了128b/130b解码机制，可以确保几乎100%的传输效率，相比此前版本的8b/10b机制提升了25%，从而促成了传输带宽的翻番，延续了PCI-E规范的一贯传统。