精解pciexpress之基礎(chǔ)篇dell

1、首先pciexpress和pci不同的是實(shí)現(xiàn)了傳輸方式從并行到串行的轉(zhuǎn)變。pciexpress是采用點(diǎn)對點(diǎn)的串行連接方式，這個(gè)和以前的并行通道大為不同，它允許和每個(gè)設(shè)備建立獨(dú)立的數(shù)據(jù)傳輸通道。不用再向整個(gè)系統(tǒng)請求帶寬，這樣也就輕松的到達(dá)了其他接口設(shè)備可望而不可及的高帶寬。pciexpress和以往的各個(gè)接口的數(shù)據(jù)傳輸率的對比：總線類型isaeisavisapciagpagp-2xagp-4xagp-8x數(shù)據(jù)傳輸率8.33mb/s133mb/s133mb/s133mb/s266mb/s533mb/s1.o66gb/s2.133gb/spciexpress1x（雙通道）500mb/spciexpr

2、ess2x（雙通道）1gb/spciexpress4x（雙通道）2gb/spciexpress8x（雙通道）4gb/spciexpress16x（雙通道）8gb/spciexpress接口根據(jù)總線接口對位寬的要求不同而有所差異，分為pciexpress1x、2x、4x、8x、16x甚至32x。由此pciexpress的接口長短也不同。1x最小，往上側(cè)越大。同時(shí)pciexpress不同接口還可以向下兼容其他pciexpress小接口的的產(chǎn)品。既pciexpress4x的設(shè)備可以插在pciexpress8x或16x上進(jìn)行工作。這樣，只要您擁有先進(jìn)的主板，就沒必要非得升級檔次稍差的顯卡了。它良好的向

3、下兼容性也使不少業(yè)界人士看好。精解pciexpress之基礎(chǔ)篇隨著intel800mhzfsb芯片組i875p的推出，intel同時(shí)也向世人顯示一個(gè)全新的總線技術(shù)即將推出，那就是由intel首先提出并開發(fā)的3gio總線。后來這一技術(shù)提交pci-sig（pci特殊興趣組織），由pci-sig改名為pciexpress，以標(biāo)準(zhǔn)的形式正式推出，目前的最新版本為v1.0。本連載就要帶大家深入了解這一即將改變整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、成為下一代總線標(biāo)準(zhǔn)的總線技術(shù)。首先本文要向大家介紹的是一些基礎(chǔ)知識。一、pci標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展歷史要了解pciexpress總線技術(shù)的提出原因，我們先來簡要回顧一下pci總線的發(fā)展歷史

4、目前應(yīng)用的計(jì)算機(jī)內(nèi)部總線技術(shù)為pci，即peripheralcomponentinterconnect，中文名為外圍組件互連，它是由intel于1991年提出的（與本文要介紹的pci-express總線技術(shù)屬同一個(gè)公司開發(fā)的）。后來，pci-sig小組接替了intel的pci規(guī)范的發(fā)展，在1993年5月發(fā)布了pci2.0。那時(shí)，pci的競爭對手是vesa本地總線（vl-bus或vlb），它是由視頻電子標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)提出的32bit總線，在標(biāo)準(zhǔn)的isa插槽之后提供附加的第三和第四接口，額定頻率33mhz，并且能夠提供超過isa。但是當(dāng)時(shí)作為486處理器/內(nèi)存總線的直接擴(kuò)展，vesa是運(yùn)行在與處理器相同

5、的頻率上，因此名為本地總線，這種直接的擴(kuò)展意味著如果連接的設(shè)備過多，則很可能會(huì)干擾處理器自身的工作，特別是當(dāng)信號通過一個(gè)插槽時(shí)。于是vesa標(biāo)準(zhǔn)中建議在33mhz頻率上只使用2個(gè)插槽，或者在總線使用電子緩沖時(shí)使用3個(gè)。在更高的頻率上不能連接2個(gè)以上的設(shè)備，而在50mhz時(shí)它們則必須都內(nèi)建于主板內(nèi)。由于vesa與處理器同步工作，因而隨著處理器頻率的提高，vesa總線類型的外圍設(shè)備工作頻率也得隨著提高，但是外圍設(shè)備要求的速度越高，其造價(jià)也就更高，對外圍設(shè)備的生產(chǎn)成本控制造成了極大的不利。因此，vesa只能工作在40mhz以內(nèi)的頻率上。當(dāng)時(shí)與vesa競爭的pci總線技術(shù)，相對vesa來說優(yōu)勢非常明顯

6、，因?yàn)樗且环N中間性的總線，獨(dú)立于cpu，但又與主內(nèi)存相連。同時(shí)pci總線能夠與處理器異步運(yùn)行，額定頻率為25mhz、30mhz和33mhz。當(dāng)處理器的頻率增加時(shí)，pci總線頻率仍然能夠保持不變。pci允許的最大插槽數(shù)或外部設(shè)備數(shù)為5個(gè)或者更多，而且還不必考慮總線速度、緩沖或其它電器問題的限制。其它的特點(diǎn)則使得設(shè)備的使用更加簡便。即插即用功能讓系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行外圍設(shè)備的設(shè)置，而不必再手動(dòng)設(shè)置irq跳腳、dma和io地址。它還允許irq共享，有自己的中斷系統(tǒng)。最后，pci總線上的數(shù)據(jù)傳輸是不經(jīng)過cpu，而直接處理，這樣降低了潛伏期和處理器的使用率。pci總線的真正應(yīng)用是隨著intel的pentium

7、處理器的誕生而開始的，由于在當(dāng)時(shí)與其競爭對手vesa相比優(yōu)勢非常明顯，使其很快在1994年成為這場總線之爭的勝利者并統(tǒng)一了標(biāo)準(zhǔn)，從此以后，幾乎所有的外圍設(shè)備，從硬盤控制器、聲卡到網(wǎng)卡和顯卡，都使用pci插槽。二、pciexpress總線的提出因?yàn)閜ciexpress總線技術(shù)的提出是基于現(xiàn)行pci總線技術(shù)的諸多不足而開始的，所以在此先分析研究一下現(xiàn)行pci總線存在哪些不足之處。pci總線技術(shù)自上世紀(jì)90年代初期開始至今已為我們服務(wù)了10年有余。在這10多年中它的發(fā)展步伐相對來說是緩慢的，總的來說pc總線是每3年性能提高一倍，從最初的8位pc/xt、16位的isa總線、32位的eisa和mca、v

8、l總線到pci、64位pci-/66mhz、pci-x，而處理器卻通常是每個(gè)摩爾周期性能就要提高一倍（一個(gè)摩爾周期為18個(gè)月）。正是這種技術(shù)發(fā)展上的不同步，使得pci總線慢慢成為了整個(gè)系統(tǒng)的瓶頸。雖然pci總線技術(shù)至今仍是主流，但實(shí)際上就其本質(zhì)來說它早在幾年前就顯得力不從心了。高性能的圖形芯片在5年前就第一個(gè)從pci總線中分離出來，形成單獨(dú)一種總線技術(shù)，那就是agp（圖形加速處理）。到了1997年，pci總線已經(jīng)成為了圖像數(shù)據(jù)傳輸最大的瓶頸，于是，在intel的440lx芯片組中，agp(圖形加速接口)出現(xiàn)了，目的有兩個(gè)：提升顯卡的性能和將圖像數(shù)據(jù)從pci總線中獨(dú)立出來，pci被解放出來供其它

9、設(shè)備使用。同時(shí)隨著raid陣列，千兆以太網(wǎng)和其他高帶寬設(shè)備在消費(fèi)級系統(tǒng)上的出現(xiàn)，pci133mb/s的帶寬明顯不能滿足這些應(yīng)用的需要了。芯片組制造商們已經(jīng)預(yù)見到這種限制所帶來的問題，并且對主板芯片組作了一系列改進(jìn)以減輕pci總線的負(fù)擔(dān)。在舊式的芯片組，如intel的440系列中，只使用一條pci總線來連接北橋芯片和南橋芯片，這條pci總線不僅要應(yīng)對南北橋之間的通信，還有普通的pci設(shè)備、ide、各種i/o（串口、并口、ps/2）和usb設(shè)備的通信。為了改善這種情況，intel、via和sis用新型的高速連接方式取代了南北橋之間的pci總線，然后讓ide、各種i/o和usb分別使用專用連接方式連

10、接到南橋芯片。如intel自800系列芯片組開始采用hublink連接技術(shù)，amd的芯片組之間采用hypertransfor技術(shù)代替原來一直采用的133mb/spci總線。via和sis芯片組南北橋之間分別采用各自的via-link和mutiol芯片連接技術(shù)。如圖1所示的就是目前的一種典型的主板芯片架構(gòu)，從這個(gè)架構(gòu)圖中我們可以十分清楚地看出各種i/o子系統(tǒng)之間幾乎都采用不同的總線技術(shù)在連接。在90年代后期，在服務(wù)器和工作站中的高速磁盤和網(wǎng)絡(luò)適配器開始向66mhz/64位的pci總線轉(zhuǎn)移，于是又形成了pci-x新總線標(biāo)準(zhǔn)，不久pci-x2.0標(biāo)準(zhǔn)也出現(xiàn)了。接下來在系統(tǒng)內(nèi)部南、北橋芯片之間的總線技

11、術(shù)也開始繞過pci采用其它總線技術(shù)，在外設(shè)接口方面更是早已不再采用pci總線，在芯片組南橋中都基本集成了eide、usb和10/100mb/s以太網(wǎng)接口。所以，今天我們的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)無論是在計(jì)算機(jī)內(nèi)部，還是在外部，各自為政的總線技術(shù)混在一起，統(tǒng)一總線標(biāo)準(zhǔn)和提高總線帶寬已是當(dāng)務(wù)之急。并行pci總線主要受到以下幾方面的性能限制：它的數(shù)據(jù)傳輸速度只有133mb/s，根本不能滿足現(xiàn)在復(fù)雜多媒體數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)男枨蟆Ａ硗馑荒茈S著主頻的提高或者電壓的降低而靈活調(diào)整傳輸速；它的同步時(shí)鐘數(shù)據(jù)傳輸受單一上升沿限制，而信號路由規(guī)則又受到經(jīng)濟(jì)的fr4技術(shù)（注：fr4是一種板材技術(shù)）的制約，接口引腳過多，不利于將來發(fā)展

12、。所有這些限制都促使建立一個(gè)更高帶寬、通用的i/o總線。今天，軟件應(yīng)用越來越依靠硬件平臺(tái)，特別是i/o子系統(tǒng)。各種不同的音、視頻數(shù)據(jù)流應(yīng)用在桌面和筆記本電腦來臺(tái)中應(yīng)用已非常普遍，但是在目前來說帶寬仍是制約其應(yīng)用的主要因素，仍未有一個(gè)完全的解決方案，無論是pci2.2，還是pci-x。在服務(wù)器中，實(shí)時(shí)音、視頻應(yīng)用在服務(wù)器中也受到嚴(yán)重限制。許多通信應(yīng)用和高級pc控制系統(tǒng)同樣需要實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)。今天的桌面pc平臺(tái)中，都必須面對在同一時(shí)刻處理來自不同連接的并發(fā)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶魬?zhàn)。盡管許多用戶對他們現(xiàn)有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在郵件收發(fā)、文檔處理、電子表格制作、更多的互聯(lián)網(wǎng)和商業(yè)應(yīng)用等諸方面都表示非常滿意，但隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)

13、域的不斷擴(kuò)大，仍然有許多當(dāng)前和潛在的任務(wù)需要更快的處理器、圖形處理、網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)子系統(tǒng)，而這些要求最終的結(jié)果就是在這些子系統(tǒng)之間需要更快的連接。如我們的計(jì)算機(jī)正日益成為家庭數(shù)碼中心，執(zhí)行許多復(fù)雜的內(nèi)容制作和數(shù)據(jù)操作任務(wù)，包括視頻編輯和編碼、圖像合成處理。高清晰度電視編碼、24位/96khz采樣頻率的多聲道單頻的捕獲和回放，和一些實(shí)時(shí)3d游戲。還有如真實(shí)聲音識別和同步、強(qiáng)大而又精確的生物測定，和先進(jìn)的加密技術(shù)。高端pc和工作站將被用來處理更多科學(xué)計(jì)算和工程計(jì)算，高質(zhì)量的3d動(dòng)畫影片制作和編譯，先進(jìn)的金融體系，和許多其它復(fù)雜工程。正是基于pci以上這些種種不足和計(jì)算機(jī)的應(yīng)用需求，intel提出了替代

14、pci總線的新總線技術(shù)-pciexpress。在2001年春節(jié)的intel開發(fā)者大會(huì)上，intel展示在將用來替代pci總線和各種不同內(nèi)部芯片連接的第三代i/o總線技術(shù)，當(dāng)時(shí)intel稱之為3gio，意為第三代i/o標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)intel的說明，這個(gè)3gio技術(shù)落后標(biāo)準(zhǔn)將成為下一個(gè)10標(biāo)準(zhǔn)，它可工作于各種不同的物理媒介上，從通用的銅線連接到光纖連接。三、pciexpress技術(shù)優(yōu)勢pciexpress之所以能迅速得到業(yè)界的承認(rèn)，并且被大家公認(rèn)為下一代10年總線標(biāo)準(zhǔn)，它具有鮮明的技術(shù)優(yōu)勢，它可以全面解決pci總線技術(shù)所面臨的種種問題。有專家預(yù)計(jì)，pciexpress的設(shè)計(jì)不只要取代pci及agp的

15、插槽，同時(shí)也會(huì)是一些電腦內(nèi)部系統(tǒng)連接接口，如處理器、繪圖、網(wǎng)絡(luò)及磁盤的i/o子系統(tǒng)芯片間的連接。下面就來具體介紹這個(gè)新總線技術(shù)有哪些關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)勢：在兩個(gè)設(shè)備之間點(diǎn)對點(diǎn)串行互聯(lián)（兩個(gè)芯片之間使用接口連線；設(shè)備之間使用數(shù)據(jù)電纜；而pciexpress接口的擴(kuò)展卡之間使用連接插槽進(jìn)行連接）；與pci所有設(shè)備共享同一條總線資源不同，pciexpress總線采用點(diǎn)對點(diǎn)技術(shù)，能夠?yàn)槊恳粔K設(shè)備分配獨(dú)享通道帶寬，不需要在設(shè)備之間共享資源，這樣充分保障了各設(shè)備的寬帶資源，提高數(shù)據(jù)傳輸速率；雙通道，高帶寬，傳輸速度快，在數(shù)據(jù)傳輸模式上，pciexpress總線采用獨(dú)特的雙通道傳輸模式，類似于全雙工模式，大大提高了

16、數(shù)據(jù)輿速度。在傳輸速度上，1.0版本的pciexpress將從每個(gè)信道單方向2.5gbps的傳輸速率起步，而它在物理層上提供的132速可選信道帶寬特性更使其可以輕松實(shí)現(xiàn)近乎無限的擴(kuò)展傳輸能力。靈活擴(kuò)展性、與pci不同，pciexpress總線能夠延伸到系統(tǒng)之外，采用專用線纜可將各種外設(shè)直接與系統(tǒng)內(nèi)的pciexpress總線連接在一起。這樣可以允許開發(fā)商生產(chǎn)出能夠與主系統(tǒng)脫離的高性能的存儲(chǔ)控制器，不必再擔(dān)心由于改用firewire或usb等其它接口技術(shù)而使存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能受到影響。低電源消耗，并有電源管理功能這主得益于pciexpress總線采用比pci總線少得多的物理結(jié)構(gòu)，如單x1帶寬模式只需4

17、線即可實(shí)現(xiàn)調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)際上是每個(gè)通道只需4根線，發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的信號線各一根，另外各一根獨(dú)立的地線。當(dāng)然實(shí)際上在單通道pciexpress總線接口插槽中并不是4針引腳，而是18針，這其余的14針都是通過4根芯線想互組合得到的。由于減少了數(shù)據(jù)傳輸芯線數(shù)量，所以它的電源消耗也就大降低了。支持設(shè)備熱撥插和熱交換pciexpress總線接口插槽中含有熱撥插檢測信號，所以可以像usb、ieee1394總線那樣進(jìn)行熱撥插和熱交換。支持qos鏈接配置和公證策略支持同步數(shù)據(jù)傳輸pciexpress總線設(shè)備可以通過主機(jī)橋接器芯片進(jìn)行基于主機(jī)的傳輸，也可以通過交換器進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)傳輸；具有數(shù)據(jù)包和層協(xié)議架構(gòu)它采用

18、類似于網(wǎng)絡(luò)通信中的osi分層模式，各層使用專門的協(xié)議架構(gòu)，所以可以很方便地在其它領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。每個(gè)物理鏈接含有多點(diǎn)虛擬通道類似于infiniband，pciexpress總線技術(shù)在每一個(gè)物理通道中也支持多點(diǎn)虛擬通道，理論上來講每一個(gè)單物理通道中可以允許有8條虛擬通道通道進(jìn)行獨(dú)立通信控制，而且每個(gè)通信的數(shù)據(jù)包都定義不同的qos。正因如此，它與外設(shè)之間的連接就可以得到非常的數(shù)據(jù)傳輸速率。可保持端對端和鏈接級數(shù)據(jù)完整性這是得益于pciexpress總線的分層架構(gòu)，具體將在下篇介紹。具有錯(cuò)誤處理和先進(jìn)的錯(cuò)誤報(bào)告功能這也是得益于pciexpress總線的分層架構(gòu)，它具有軟件層，軟件層的主要功能就是進(jìn)

19、行錯(cuò)誤處理和提供錯(cuò)誤報(bào)告，具體將在下篇介紹。使用小型連接，節(jié)約空間，減少串?dāng)npciexpress技術(shù)不需要像pci總線那樣在主板上布大量的數(shù)據(jù)線（pci使用32或64條平行線傳輸數(shù)據(jù)），與pci相比，pciexpress總線的導(dǎo)線數(shù)量減少了將近75%（pciexpress總線也會(huì)有好幾種版本的），速度會(huì)加快而且數(shù)據(jù)不需要同步。同時(shí)因?yàn)橹靼迳献呔€少了，從而可以使通過增加走線數(shù)量提升總線寬度的方法就更容易實(shí)現(xiàn)，同時(shí)各走線之間的間隔就可以更寬，減少了相互之間的串?dāng)_。在軟件層保持與pci兼容跨平臺(tái)兼容是pciexpress總線非常重要的一個(gè)特點(diǎn)。目前被廣泛采用的pci2.2設(shè)備可以在這一新標(biāo)準(zhǔn)提供的低

20、帶寬模式下運(yùn)行，不會(huì)出現(xiàn)類似pci插卡無法在isa或者vlb插槽上使用的問題，從而為廣大用戶提供了一個(gè)平滑的升級平臺(tái)。同時(shí)由ibm創(chuàng)導(dǎo)的pci-x接口標(biāo)準(zhǔn)在pciexpress標(biāo)準(zhǔn)中也得到了兼容，但要注意的是它不兼容目前的agp接口。鑒于如此眾多的優(yōu)勢，大家都認(rèn)為pciexpress將成為今后10年內(nèi)的主要內(nèi)部總線連接標(biāo)準(zhǔn)，它不但將被用在臺(tái)式機(jī)、筆記本電腦以及服務(wù)器平臺(tái)上，甚至?xí)^續(xù)延伸到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的內(nèi)部連接設(shè)計(jì)中。四、pciexpress總線的前景pci-express體系結(jié)構(gòu)符合第三代i/o總線的所有需求。pci-express的不同就在于點(diǎn)對點(diǎn)的串行連接，可以使用更少的數(shù)據(jù)線提供更高的連接

21、速度。它可以為任何帶寬需求的應(yīng)用以每針100mb/s的速度進(jìn)行傳輸。它的先進(jìn)特征的自由縮放性能將及成為統(tǒng)一的i/o方案而全面進(jìn)入臺(tái)式機(jī)、筆記本電腦、服務(wù)器、通信、工作站的內(nèi)置設(shè)備等領(lǐng)域。pci-express連接是執(zhí)行多通道、點(diǎn)對點(diǎn)連接的，而多通道可以用來建立i/o之間的互聯(lián)，而使帶寬得到成倍地增加。這種i/o之間的互聯(lián)可以使系統(tǒng)之間的發(fā)割變得非常容易，其成本與當(dāng)前工作pci架構(gòu)相當(dāng)，甚至更少。并且pci-express與現(xiàn)在的pci軟件保持兼容，這樣有利于在將來的系統(tǒng)中得到綜合。隨著pci-sig頒發(fā)pciexpress1.0以來，幾乎沒有誰會(huì)再懷疑pciexpress將是下一代總線標(biāo)準(zhǔn)。不

22、僅原有的pci、agp總線擁戴者如此，就連許多各種不同的系統(tǒng)內(nèi)部總線開發(fā)者，如amd、via、sis、ati、nvidia等都無不提出對pciexpress的支持，紛紛想把自己的總線技術(shù)加入到cpiexpress技術(shù)之中，尤其是intel的競爭對手amd。由此看來，pciexpress總線將一統(tǒng)天下的局面似乎沒有什么障礙，但實(shí)際上至少在目前為止還遠(yuǎn)不是說這話的時(shí)候，特別是在服務(wù)器和工作站中，因?yàn)樵谄渲性缫延邢駃nfiniband和pci-x總線技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用。還有如rapdio和intel自己的超線程技術(shù)等。正如pciexpress工作小組arapahoe所說的那樣，以上所說的這些解決方案

23、面向的目標(biāo)與pciexpress總線不同。rapidio和超線程技術(shù)是針對那些特殊的應(yīng)用，而pciexpress則是為一般應(yīng)用所設(shè)計(jì)的。pciexpress取代超線程技術(shù)而作為處理器之間接口的可能性也幾乎是不存在的，因?yàn)閜ciexpress缺乏高速緩存一致性協(xié)議，在同步時(shí)鐘周期內(nèi)高于并行接口的潛伏期也使它不適于此類應(yīng)用。所以，amd和nvidia沒什么可害怕的，intel也不會(huì)用它來取代p4總線，因?yàn)橐粋€(gè)開放的pciexpress標(biāo)準(zhǔn)意味著intel無法再為p4總線授權(quán)問題而起訴其他第三方芯片組廠商。但是pciexpress仍有著巨大的發(fā)展?jié)摿Γ谝话阌猛镜亩ㄎ皇蛊湓陟`活性方面具有明顯的優(yōu)勢

24、，而且這確保了它有著廣闊的應(yīng)用前景。由于有著許多改變，所以從pci到pciexpress的轉(zhuǎn)變不會(huì)在一夜之間完成。isa插槽掙扎了近10年才最后被pci總線全面取代而消失，所以不要認(rèn)為你的pci設(shè)備已經(jīng)落伍了。pciexpress底板1.0a規(guī)范和板卡電氣1.0a規(guī)范都已經(jīng)發(fā)布了，但我們要等到2004年才能看到真正的pciexpress產(chǎn)品，在桌面機(jī)和服務(wù)器中全面采用pciexpress接口的設(shè)備更不是近兩、三年可以出現(xiàn)的。或許最開始是nvidia和ati的顯卡產(chǎn)品以及基于grantsdale芯片組的intel主板。在服務(wù)器終端市場，intel想要通過lindenhurst和twincastl

25、e芯片組來引進(jìn)pciexpress。由于各種新的因素和富有前途的性能表現(xiàn)，pciexpress的未來看上去充滿希望。精解pciexpress之系統(tǒng)架構(gòu)篇在上一篇我們了解了pciexpress總線的產(chǎn)生和技術(shù)優(yōu)勢，但要真正理解pciexpress總線技術(shù)的優(yōu)越性還得從其結(jié)構(gòu)本身說起，所以本篇就要全面介紹pciexpress總線的結(jié)構(gòu)。一、總體系統(tǒng)架構(gòu)在正式了解pciexpress串行鏈接物理和邏輯結(jié)構(gòu)前，先來看一下pciexpress系統(tǒng)架構(gòu)的方框圖。你可以看到pciexpress連接器已被移植到系統(tǒng)中的各個(gè)不同部分，為將來的高速設(shè)備提供連接點(diǎn)。pciexpress的基本結(jié)構(gòu)包括根組件（root

26、complex）、交換器（switch）和各種終端設(shè)備（endpoint）。根組件可以集成在北橋芯片中，用于處理器和內(nèi)存子系統(tǒng)與i/o設(shè)備之間的連接，而交換器的功能通常是以軟件形式提供的，它包括兩個(gè)或更多的邏輯pci到pci的連接橋（pci-pcibridge），以保持與現(xiàn)有pci兼容。當(dāng)然，像pciexpress-pci的橋設(shè)備也可能存在。在pciexpress架構(gòu)中的新設(shè)備是交換器（switch），它取代了現(xiàn)有架構(gòu)中的i/o橋接器，用來為i/o總線提供輸出端。交換器支持在不同終端設(shè)備間進(jìn)行對等通信。下圖1就是pciexpress1.0的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。圖1為了便于與現(xiàn)行的pci總線結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效

27、對比，現(xiàn)把兩種總線的桌面系統(tǒng)架構(gòu)并列于下圖2中。圖2在圖中現(xiàn)有的pci架構(gòu)中，用于顯卡的接口為agp，而新的pciexpress架構(gòu)中以pciexpress取代了，現(xiàn)有cpi架構(gòu)i/o橋接器中的pci/pci-x橋接器在pciexpress架構(gòu)中全部以switch交換器取代，增加了一些pciexpress總線接口用于與終端設(shè)備連接，當(dāng)然為了保持與現(xiàn)有pci兼容，在第一版pciexpress架構(gòu)中仍保留cpi接口。pciexpress總線技術(shù)將全面應(yīng)用于桌面/移動(dòng)和服務(wù)器系統(tǒng)中，但各自的體系結(jié)構(gòu)不完全相同，如圖3左圖所示的是桌面機(jī)和移動(dòng)筆記本電腦中使用pciexpress總線的系統(tǒng)架構(gòu)，而圖3右

28、圖所示的是服務(wù)器和工作站中使用pciexpress總線的系統(tǒng)架構(gòu)。除此之外，在網(wǎng)絡(luò)中同樣可以以使用pciexpress總線技術(shù)進(jìn)行通信，結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。圖3從圖3中的兩個(gè)應(yīng)用架構(gòu)比較可以看出，pciexpress總線技術(shù)在服務(wù)器和工作站中的應(yīng)用更為徹底，在服務(wù)器/工作站中除了內(nèi)存子系統(tǒng)與芯片組之間的通信外，其它都是采用pciexpress總線來與芯片連接的，而在桌面機(jī)中在目前來說還主要是取代顯卡中的agp總線和其它pci板卡，如網(wǎng)卡，至于硬盤和外設(shè)接口都仍是采用相應(yīng)的總線接口直接與芯片組連接。圖4從圖中可以看出，pciexpress總線在網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用也是非常徹底的，除了內(nèi)存子系統(tǒng)外，幾乎所有

29、的外設(shè)及內(nèi)置板卡都是直接或者間接通過pciexpress總線與芯片組連接的。綜上所述，目前來說pciexpress總線主要還是先從服務(wù)器、工作站和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備得到徹底應(yīng)用，在桌面機(jī)中主要以先取代agp和部分pci接口開始。二、pciexpress的體系結(jié)構(gòu)pciexpress體系結(jié)構(gòu)采用分層設(shè)計(jì)，就像網(wǎng)絡(luò)通信中的七層osi結(jié)構(gòu)一樣，這樣利于跨平臺(tái)的應(yīng)用。pci-express體系結(jié)構(gòu)如圖5所示。它共分為四層，從下到上分別為：物理層（physicallayer）、數(shù)據(jù)鏈路層（linklayer）、處理層（transactionlayer）和軟件層（softwarelayer）。圖中的“s/w”和“c

30、onfig/os”均屬于軟件層。pciexpress的體系結(jié)構(gòu)兼容于pci地址結(jié)構(gòu)模式，使得所有已有應(yīng)用和驅(qū)動(dòng)程序均不需作任何修改即可應(yīng)用到新總線系統(tǒng)中。pci-express配置使用標(biāo)準(zhǔn)的pci即插即用規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)。下面對以上各層分別進(jìn)行具體介紹。圖51.物理層（physicallayer）物理層是最低層，它負(fù)責(zé)接口或者設(shè)備之間的鏈接，是物理接口之間的連接，可對應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)中osi七層模式中的物理層來理解。物理層決定了pciexpress總線接口的物理特性，如點(diǎn)對點(diǎn)串行連接、微差分信號驅(qū)動(dòng)、熱撥插、可配置帶寬等。初始的單一串行pciexpress鏈接包含兩個(gè)低電壓微分驅(qū)動(dòng)信號對（4線的接收和發(fā)送對）

31、的雙向連接，即“發(fā)送”和“接受”信號。數(shù)據(jù)時(shí)鐘使用8/10b解碼方式來達(dá)到相當(dāng)高的數(shù)據(jù)速率（這一技術(shù)同時(shí)也在其它串行總線技術(shù)中，如infiniband和rapidio），時(shí)鐘信息直接被編碼成數(shù)據(jù)流，比起分離信號時(shí)鐘更好。微分信號受兩個(gè)不同方向的電壓驅(qū)動(dòng)，初始pciexpress的鏈接信號發(fā)送速率為單線每個(gè)方向2.5gb/s，預(yù)計(jì)到2004年可達(dá)到5gb/s的信號傳輸速率，使用先進(jìn)的硅技術(shù)把數(shù)據(jù)傳輸速率提高到10ghz（達(dá)到銅線傳輸?shù)睦碚撋献畲笾担?。雙向連接允許數(shù)據(jù)在兩個(gè)方向上同時(shí)傳輸，類似于全雙工連接，如電話系統(tǒng)，但是在雙向傳輸中，各自都有自己的地線，而不像雙工傳輸那樣采用公共地線，在雙向連接

32、中可得到高速、更好質(zhì)量的傳輸信號。單線雙向信號線及傳輸流程如圖6所示。圖6在圖中的兩個(gè)紅色箭頭代表兩個(gè)不同的方向（發(fā)送和接收）的數(shù)據(jù)包，從圖中可以看出，單線數(shù)據(jù)傳輸每個(gè)方向只需2要芯線，即一根數(shù)據(jù)傳輸線，一根為地線。pciexpress鏈接可以配置為x1、x2、x4、x8、x12、x16和x32信道帶寬，x1帶寬的鏈接包含4條線，x16帶寬信道每個(gè)方向就有16個(gè)不同的信號對，或者64根信號芯線用于雙向數(shù)據(jù)傳輸；終極的x32帶寬信道每個(gè)方向可以提供10gb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，但是在采用8位/10位編碼方式的情況下，實(shí)際速率只可達(dá)8gb/s，留有20%富余。pciexpress體系結(jié)構(gòu)可以通過速度

33、的提高和先進(jìn)的編碼技術(shù)來升級，但這些速度的提高、編碼的改進(jìn)和媒介的改變均只影響物理層，所以對于整個(gè)pciexpress架構(gòu)來說升級是非常方便的。如圖7所示的是pciexpress總線數(shù)據(jù)流傳輸示意圖。圖的左邊顯示的是單信道情況下數(shù)據(jù)流的傳輸方式，因?yàn)閜ciexpress屬于點(diǎn)對點(diǎn)串行連接，所以在單信道情況下，數(shù)據(jù)流是一個(gè)字節(jié)一個(gè)字節(jié)地傳輸。在圖的右邊顯示的是多信道情況下pciexpress總線數(shù)據(jù)流的傳輸情況。因?yàn)橛卸嗤庑诺?，所以?shù)據(jù)可以依次傳輸?shù)礁鱾€(gè)信道，加快了整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，提高了?shù)據(jù)傳輸效率，這有點(diǎn)類似于網(wǎng)絡(luò)中的磁盤陣列。不過在此要注意的一點(diǎn)是，連接的雙方信道配置要一致，不可不對稱配

34、置，也就是說說兩個(gè)方向的信道數(shù)要相等。這主要是pciexpress接口在外設(shè)中的應(yīng)用情況下需要著重考慮的，在計(jì)算機(jī)內(nèi)部，通常兩上pciexpress設(shè)備之間不會(huì)有什么通信請求，如顯卡與網(wǎng)卡之間。有些工業(yè)分析家建議在第一代用于替代agp總線的pciexpress圖形總線應(yīng)該采用非對稱設(shè)計(jì)，來取代原有的16信道同步連接計(jì)劃，因?yàn)樗麄冋J(rèn)為從圖形卡向系統(tǒng)內(nèi)存?zhèn)鬏數(shù)臄?shù)據(jù)會(huì)更少些。圖7在物理層的另一處重要方面就是中斷。pciexpress支持兩個(gè)類型的中斷，現(xiàn)行的pciintx（x=a,b,c,ord)中斷被保留下來了，仍可在pciexpress總線中應(yīng)用。還有一個(gè)新的中斷類型，那就是msi（messag

35、esignaledinterrupt，信息信號中斷），msi中斷可以進(jìn)一步優(yōu)化pci.2/2.3設(shè)備。intx中斷方式可以用信號方式中斷主機(jī)芯片請求，它可以與現(xiàn)行的pci總線的驅(qū)動(dòng)程序和操作系統(tǒng)兼容。pciexpress設(shè)備必須支持intx和ms兩種中斷模式，原有設(shè)備將壓縮intx中斷信息在pciexpress處理信息中。msi中斷是通過內(nèi)存寫處理操作邊沿觸發(fā)和發(fā)送的。重新編寫驅(qū)動(dòng)程序?qū)τ趍si邊沿觸發(fā)中斷是非常有利的，msi方案在使用數(shù)據(jù)包協(xié)議通過串行鏈接中是一種行之有效的本地中斷方式。msi在多處理器系統(tǒng)中任何設(shè)備都可以發(fā)送中斷，比起主機(jī)直接發(fā)送中斷更加有效，所以現(xiàn)在許多多處理器系統(tǒng)和i/

36、o架構(gòu)都對msi中斷技術(shù)提供支持。2.數(shù)據(jù)鏈路層（linklayer）數(shù)據(jù)鏈路層的主要職責(zé)就是確保數(shù)據(jù)包可靠、正確傳輸。它的任務(wù)是確保數(shù)據(jù)包的完整性，并在數(shù)據(jù)包中添加序列號和發(fā)送冗余校驗(yàn)碼到處理層。大多數(shù)數(shù)據(jù)包是由處理層發(fā)起的，基于信任，數(shù)據(jù)流控制協(xié)議確保數(shù)據(jù)包只在終端緩存空閑時(shí)傳輸。排隊(duì)了所有數(shù)據(jù)的重試，使得信道帶寬浪費(fèi)現(xiàn)象得到有效地約束。但數(shù)據(jù)鏈路層在信號中斷時(shí)自動(dòng)重新傳輸數(shù)據(jù)包。傳輸過程如圖8所示。圖83.處理層（transactionlayer）處理層的作用主要是接受從軟件層送來的讀、寫請求，并且建立一個(gè)請求包傳輸?shù)芥溄訉?。所有請求都是分離執(zhí)行，有些請示包將需要一個(gè)響應(yīng)包。處理層同時(shí)接

37、受從鏈路層傳來的響應(yīng)包，并與原始的軟件請求關(guān)聯(lián)。處理層還整合或者拆分處理級數(shù)據(jù)包來發(fā)送請求，如數(shù)據(jù)讀、寫請求，并且操縱鏈接配置和信號控制。以確保端到端連接通信正確，沒有無效數(shù)據(jù)通過整個(gè)組織（包括源設(shè)備和目標(biāo)設(shè)備，甚至包括可能通過的多個(gè)橋接器和交換器）。在pciexpress總線技術(shù)中，數(shù)據(jù)包類型主要有兩種，那就是由處理層發(fā)起的“處理層數(shù)據(jù)包”（transactionlayerpacket，tlp）和“數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)包”（datalinklayerpacket，dllp）。每個(gè)數(shù)據(jù)包都有一個(gè)可以使響應(yīng)包定向于正確發(fā)起者的唯一標(biāo)識符，包的格式支持32位內(nèi)存地址和擴(kuò)展64位內(nèi)存地址。包同時(shí)還有如“非窺探”、“無嚴(yán)格排序”和“優(yōu)先權(quán)”等屬性，這些屬性將應(yīng)用于優(yōu)化路由i/o子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包。處理層包括4個(gè)地址空間，其中3個(gè)是pci接口原有的，如內(nèi)存、i/o和配置地址空間，另一外新pci-express接口新加的，它就是“信息空間”。pci2.2標(biāo)準(zhǔn)中介紹不斷變化的系統(tǒng)中斷宣傳的方法稱之為“信息信號中斷”（messagesignaledinterrupt，msi）。這里特殊規(guī)格格式的內(nèi)存寫事物代替無邊信號硬寫，如中斷、電源管理請求、復(fù)位等等有關(guān)信息方面。另一個(gè)pci2.2標(biāo)準(zhǔn)的特殊循環(huán)，如中斷響應(yīng)也屬于信息執(zhí)行范疇。你可以把pci-express信息稱之為“虛擬線”，因?yàn)樗鼈兊挠绊憣?/p>