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PCIExpress接口

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PCI Express（以下簡稱PCI-E）是一種高速串行計算機總線，用於取代老舊的PCI標準。PCI-E採用了點對點串行連接，每個設備都有自己的專用連接，不需要向整個總線請求帶寬，而且可以把數據傳輸率提高到一個很高的頻率，達到PCI所不能提供的高帶寬。相對於傳統PCI總線在單一時間週期內只能實現單向傳輸，PCI-E的雙單工連接能提供更高的傳輸速率和質量，它們之間的差異跟半雙工和全雙工類似。
外文名
Peripheral Component Interconnect Express
簡    稱
PCI-E
發佈時間
2003
類    型
串行總線
功    能
取代老舊的PCI標準
途    徑
點對點串行連接

目錄

  1. 1 釋義
  2. 2 簡介
  3. 3 發展
  4. 4 比較
  5. 5 應用

PCIExpress接口釋義

PCI-E是新一代的總線接口，而採用此類接口的顯卡產品，已經在2004年正式面世。早在2001年的春季“英特爾開發者論壇”上，英特爾公司就提出了要用新一代的技術取代PCI總線和多種芯片的內部連接，並稱之為第三代I/O總線技術。隨後在2001年底，包括Intel、AMD、DELL、IBM在內的20多家業界主導公司開始起草新技術的規範，並在2002年完成，對其正式命名為PCI Express。

PCIExpress接口簡介

PCI-E接口規格根據總線位寬不同而有所差異，包括X1、X4、X8以及X16，而X2模式將用於內部接口而非插槽模式。PCI-E規格從1條通道連接到32條通道連接，有非常強的伸縮性，以滿足不同系統設備對數據傳輸帶寬不同的需求。此外，較短的PCI-E卡可以插入較長的PCI-E插槽中使用，PCI-E接口還能夠支持熱拔插，這也是個不小的飛躍。PCI-E X1的250MB/秒傳輸速度已經可以滿足主流聲效芯片、網卡芯片和存儲設備對數據傳輸帶寬的需求，但是遠遠無法滿足圖形芯片對數據傳輸帶寬的需求。 因此，用於取代AGP接口的PCI-E通道連接數為X16，能夠提供5GB/s的帶寬，即便有編碼上的損耗但仍能夠提供約為4GB/s左右的實際帶寬，遠遠超過AGP 8X的2.1GB/s的帶寬。
儘管PCI-E技術規格允許實現X1（250MB/秒），X2，X4，X8，X16和X32通道規格，但是依形式來看，PCI-E X1和PCI-E X16已成為PCI-E主流規格，同時很多芯片組廠商在南橋芯片當中添加對PCI-E X1的支持，在北橋芯片當中添加對PCI-E X16的支持。除去提供極高數據傳輸帶寬之外，PCI-E因為採用串行數據包方式傳遞數據，所以PCI-E接口每個針腳可以獲得比傳統I/O標準更多的帶寬，這樣就可以降低PCI-E設備生產成本和體積。另外，PCI-E也支持高階電源管理，支持熱插拔，支持數據同步傳輸，為優先傳輸數據進行帶寬優化。
PCI-E在軟件層面上兼容的PCI技術和設備，支持PCI設備和內存模組的初始化，也就是説過去的驅動程序、操作系統無需推倒重來，就可以支持PCI-E設備。PCI-E已經
成為顯卡的接口的主流，不過早期有些芯片組雖然提供了PCI-E作為顯卡接口，但是其速度是4X的，而不是16X的，例如VIA PT880 Pro和VIA PT880 Ultra，當然這種情況極為罕見。

PCIExpress接口發展

2001年春季的IDF上Intel正式公佈PCI Express，是取代PCI總線的第三代I/O技術，也稱為3GIO。該總線的規範由Intel支持的AWG（Arapahoe Working Group）負責制定。2002 年4月17日，AWG正式宣佈3GIO 1.0規範草稿制定完畢，並移交PCI-SIG進行審核。開始的時候大家都以為它會被命名為串行 PCI（受到串行ATA的影響），但最後卻被正式命名為PCI Express。2006年正式推出PCI-E 2.0規範。
PCI Express總線技術的演進過程，實際上是計算系統I/O接口速率演進的過程。PCI總線是一種33MHz@32bit或者66MHz@64bit的並行總線，總線帶寬為133MB/s到最大533MB/s，連接在PCI總線上的所有設備共享133MB/s～533MB/s帶寬。這種總線用來應付聲卡、10/100M網卡以及USB 1.1等網絡接口基本不成問題。隨着計算機和通信技術的進一步發展，新一代的I/O接口大量湧現，比如千兆（GE）、萬兆（10GE）的以太網技術、4G/8G的FC技術，使得PCI總線的帶寬已經無力應付計算系統內部大量高帶寬並行讀寫的要求，PCI總線也成為系統性能提升的瓶頸，於是就出現了PCI Express總線。PCI Express總線技術在當今新一代的存儲系統已經普遍的應用。PCI Express總線能夠提供極高的帶寬，來滿足系統的需求。
截止到2019年10月，PCI-E規範已經發展到5.0版本，其在X16接口下，可以達到63.02 GB/s的吞吐量 [1]  。
PCI-E 各版本鏈路性能指標
　　
PCI-E 版本推出時間碼型傳輸率吞吐量（以X1記）
1.020038b/10b2.5 GT/s250 MB/s
2.020078b/10b5.0 GT/s500 MB/s
3.02010128b/130b8.0 GT/s984.6 MB/s
4.02017128b/130b16.0 GT/s1969 MB/s
5.02019128b/130b32.0 GT/s3938 MB/s

PCIExpress接口比較

與PCI總線相比，PCI-E總線主要有下面的技術優勢：
  1. 是串行總線，進行點對點傳輸，每個傳輸通道獨享帶寬。
  2. PCI-E總線支持雙向傳輸模式和數據分通道傳輸模式。其中數據分通道傳輸模式即PCI-E總線的x1、x2、x4、x8、x12、x16多通道連接，x1單向傳輸帶寬即可達到250MB/s，雙向傳輸帶寬更能夠達到500MB/s，這個已經不是普通PCI總線所能夠相比的了。
  3. PCI-E總線充分利用先進的點到點互連、基於交換的技術、基於包的協議來實現新的總線性能和特徵。電源管理、服務質量（QoS）、熱插拔支持、數據完整性、錯誤處理機制等也是PCI Express總線所支持的高級特徵。
  4. 與PCI總線良好的繼承性，可以保持軟件的繼承和可靠性。PCI-E總線關鍵的PCI特徵，比如應用模型、存儲結構、軟件接口等與傳統PCI總線保持一致，但是並行的PCI總線被一種具有高度擴展性的、完全串行的總線所替代。
  5. PCI-E總線充分利用先進的點到點互連，降低了系統硬件平台設計的複雜性和難度，從而大大降低了系統的開發製造設計成本，極大地提高系統的性價比和健壯性。從下面表格可以看出，系統總線帶寬提高同時，減少了硬件針腳的數量，硬件的成本直接下降。

PCIExpress接口應用

PCI-E接口廣泛應用於消費級和工業級產品。主要作為主板級互聯接口和擴展接口。
在幾乎所有個人電腦、筆記本和商用服務器上，PCI-E是連接處理器和擴展卡的主要接口。而為了向後兼容性，在其中很大一部分系統上PCI-E和PCI是共存的。
自2013年起，PCI-E接口已經完全取代了AGP接口，成為顯卡的默認接口。AMD和英偉達在2010年後生產的所有顯卡都採用了PCI-E接口。
參考資料