PCI-Express(中文)

1、基礎(chǔ)篇 2一、PCI標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展歷史2二、PCIExpress總線的提出3三、PCIExpress 技術(shù)優(yōu)勢(shì) 5四、PCIExpress 總線的前景 6系統(tǒng)架構(gòu)篇 7一、總體系統(tǒng)架構(gòu) 7二、PCI Express 的體系結(jié)構(gòu) 10物理層( Physical Layer ) 102. 數(shù)據(jù)鏈路層( Link Layer ) 123. 處理層( Transaction Layer ) 134. 軟件層( Software Layer ) 15物理結(jié)構(gòu)篇 15一、物理結(jié)構(gòu)外觀 16二、臺(tái)式機(jī) PCI Express 物理接口設(shè)計(jì)規(guī)范 18基礎(chǔ)篇隨著 Intel 800MHz FSB 芯片組 i875P

2、 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 PCI Express ，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(shí)。一、 PCI 標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展歷史要了解 PCI Express 總線技術(shù)的提出原因，我們先來簡(jiǎn)要回顧一下 PCI 總線的發(fā)展歷史目前應(yīng)用的計(jì)算機(jī)內(nèi)部總線技術(shù)為PCI ，即 Periph

3、eral Component Interconnect，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 In tel的PCI規(guī)范的發(fā)展，在1993年 5 月發(fā)布了 PCI 2.0 。那時(shí)， PCI 的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)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， V

4、ESA 是運(yùn)行在與處理器相同的頻率上， 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(hào)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(duì)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

5、 40MHz 以內(nèi)的頻率上。 當(dāng)時(shí)與 VESA 競(jìng)爭(zhēng) 的 PCI 總線技術(shù)，相對(duì) VESA 來說優(yōu)勢(shì)非常明顯，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(jiǎn)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10地址。它還允許IRQ共享，有自己的中斷系

6、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 處理器的誕生而開始的，由于在當(dāng)時(shí)與其競(jìng) 爭(zhēng)對(duì)手 VESA 相比優(yōu)勢(shì)非常明顯，使其很快在 1994 年成為這場(chǎng)總線之爭(zhēng)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。、 PCI Express 總線的提出因?yàn)镻CI Express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

7、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(duì)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、VL 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

8、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In tel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(jí)系統(tǒng)上的出現(xiàn)， PCI 133MB/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(duì)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，

9、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(duì)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接到南橋芯片。如 In tel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/S PCI總線。VIA和SiS芯片組南北橋之間分別采用各自的 Via

10、-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-X 2.0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

11、， 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?。另外它不能隨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(hào)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。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

12、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(jí)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(duì)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(duì)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)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

13、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(shí)別和同步、強(qiáng)大而又精確的生物 測(cè)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 PCI 總線的新總線 技術(shù)-PCI Express 。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

14、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)In tel的說明，這個(gè)3GI0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、PCI Express 技術(shù)優(yōu)勢(shì)PCI Express 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(shì)，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)， PCI Express的設(shè)計(jì)不只要取代PCI及AGP的插槽，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

15、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(shì)：? 在兩個(gè)設(shè)備之間點(diǎn)對(duì)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 PCI Express 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， PCI Express 總線采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)技術(shù)，能夠?yàn)槊?一塊設(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， PCI Express 總線采用獨(dú)特的雙通道傳輸模式，類似于全雙工模式， 大大提高了數(shù)據(jù)與速度。 在傳輸速度上， 1.0 版本的 P

16、CI Express 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， PCI Express 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 PCI Express 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 PCI Express 總線采用比 PCI 總線少得多的物理結(jié)構(gòu)，如

17、單 x1 帶寬模式只需 4 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(hào)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 PCI Express 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 根芯線相互組合得到的。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大降低了。? 支持設(shè)備熱撥插和熱交換PCI Express 總線接口插槽中含有 熱撥插檢測(cè)信號(hào) ，所以可以像 USB、IEEE 1394 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PCI Express 總線設(shè)備可

18、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(duì)點(diǎn)傳輸；?具有數(shù)據(jù)包和層協(xié)議架構(gòu) 它采用類似于網(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 ， PCI Express 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(duì)端和鏈接級(jí)數(shù)據(jù)完整性這是得益于 PCI Express 總線的

19、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 PCI Express 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)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)_PCI Express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，PCI Express總線的導(dǎo)線數(shù)量減少了將近 75%（ PCI Express 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

20、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 PCI Express 總線非常重要的一個(gè)特點(diǎn)。目前被廣泛采用的 PCI 2.2 設(shè)備可 以在這一新標(biāo)準(zhǔn)提供的低帶寬模式下運(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(jí)平臺(tái)。同時(shí)由 IBM 創(chuàng)導(dǎo)的 PCI-X 接口標(biāo)準(zhǔn) 在 PCI Express 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(shì)，大家都認(rèn)為 PCI Express 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

21、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、PCI Express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(duì) 點(diǎn)的串行連接， 可以使用更少的數(shù)據(jù)線提供更高的連接速度。 它可以為任何帶寬需求的應(yīng)用以每 幀 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(duì)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

22、 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) PCI Express 1.0 以來，幾乎沒有誰會(huì)再懷疑 PCI Express 將是下一 代總線標(biāo)準(zhǔn)。不僅原有的 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(duì) PCI Express 的支持，紛紛想把自己 的總線技術(shù)加入到 PCI Express 技術(shù)之中，尤其是 Intel

23、 的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手 AMD 。由此看來， PCI Express 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?Infiniband 和 PCI-X 總線技術(shù)得到 廣泛的應(yīng)用。還有如 RapidIO 和 Intel 自己的超線程技術(shù)等。正如 PCI Express 工作小組 Arapahoe 所說的那樣，以上所說的這些解決方案面向的目標(biāo) 與 PCI Express 總線不同。 RapidIO 和超線程技術(shù)是針對(duì)那些特殊的應(yīng)用，而 PCI Express 則是為一般應(yīng)用所設(shè)計(jì)的。 PCI Express 取代超線程

24、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)?PCI Express 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 PCI Express 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 PCI Express 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(shì)，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 PCI Express 的轉(zhuǎn)變不會(huì)在一夜

25、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。PCI Express 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 PCI Express 產(chǎn)品，在桌面機(jī)和服務(wù)器中全面采用 PCI Express 接口的設(shè)備更 不是近兩、三年可以出現(xiàn)的?；蛟S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(chǎng)， Intel 想要通過 Lindenhurst 和 Twin Castle 芯片組來 引進(jìn) PC

26、I Express 。由于各種新的因素和富有前途的性能表現(xiàn)， PCI Express 的未來看上去充 滿希望。系統(tǒng)架構(gòu)篇在上一篇我們了解了 PCI Express 總線的產(chǎn)生和技術(shù)優(yōu)勢(shì)， 但要真正理解 PCI Express 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 PCI Express 總線的結(jié)構(gòu)。一、總體系統(tǒng)架構(gòu)在正式了解 PCI Express 串行鏈接物理和邏輯結(jié)構(gòu)前， 先來看一下 PCI Express 系統(tǒng)架構(gòu) 的方框圖。你可以看到 PCI Express 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)。PCI Express 的基本結(jié)構(gòu)包括

27、根組件(Root 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-PCI Bridge )，以保持與現(xiàn)有PCI兼容。當(dāng)然，像PCI Express-PCI的橋設(shè)備也可 能存在。在PCI Express 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(duì)等通信。下圖1就是PCI Express 1.0 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

28、圖。Ko*PCI| PCI亦血PCWCI-X為了便于與現(xiàn)行的PCI總線結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效對(duì)比，現(xiàn)把兩種總線的桌面系統(tǒng)架構(gòu)并列于下圖 2中。PCI SyvttmPd Ejcpr的弓 財(cái)訶在圖中現(xiàn)有的 PCI架構(gòu)中，用于顯卡的接口為 AGP，而新的PCI Express 架構(gòu)中以PCIExpress取代了，現(xiàn)有PCI架構(gòu)I/O橋接器中的PCI/PCI-X 橋接器在PCI Express架構(gòu)中全 部以Switch交換器取代，增加了一些PCI Express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PCI Express架構(gòu)中仍保留PCI接口。PCI Express 總線技術(shù)將全面應(yīng)

29、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 PCI Express總線的系統(tǒng)架構(gòu), 而圖3右圖所示的是服務(wù)器和工作站中使用 PCI Express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PCI Express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，PCI Express 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

30、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。L*nLm LinLi nLin*CaroCard cardCrdCard從圖中可以看出，PCI Express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,幾乎所有的外設(shè)及內(nèi)置板卡都是直接或者間接通過PCI Express總線與芯片組連接的。綜上所述，目前來說PCI Express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、PCI Express的體系結(jié)構(gòu)PCI Express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

31、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(Link Layer )、處理層(Transaction Layer )和軟件層(Software Layer)。圖中的“ S/W ”和“Config/OS ”均屬于軟件層。PCI Express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(duì)以上各層分別進(jìn)行具體介紹。LinkPut* In Rwtf 啊on !TransacttonData

32、Link * Data LinkPhysical *PhysicalMechanical匸MechanicalFlatforh-圖10顯示了數(shù)據(jù)包在兩個(gè)設(shè)備中傳輸?shù)膶?shí)際流程，高層數(shù)據(jù)包信息被壓縮在低層封裝包中，應(yīng) 用級(jí)數(shù)據(jù)最終在數(shù)據(jù)包的核心位置。處理層在端到端的數(shù)據(jù)傳輸中使用 32位冗余校驗(yàn)碼，在數(shù) 據(jù)鏈路層是使用16位校驗(yàn)碼的。處理層數(shù)據(jù)包頭包括許多控制信息和端到端傳輸數(shù)據(jù)。PCI Express 處理層使用基于信任的流控制機(jī)制來確保接收設(shè)備有足夠的緩存資源用于接 受從發(fā)送端設(shè)備所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大小和類型。Packet FormationLink LayerPhysical Layer.Swni

33、Platforrr圖10講到數(shù)據(jù)處理，再來講一下PCI Express總線接口中新的結(jié)構(gòu)，那就是虛擬通道(VirtualIan )。類似于InfiniBand ，PCI Express總線技術(shù)在每一個(gè)物理信道中也支持多點(diǎn)虛擬通道， 理論上來講每一個(gè)單物理信道中可以允許有8條虛擬通道信道進(jìn)行獨(dú)立通信控制。每個(gè)通信的數(shù)據(jù)包都定義不同的QoS，如圖11所示。當(dāng)數(shù)據(jù)包通過PCI Express組織傳輸時(shí)，在每個(gè)交 換器或者鏈接終端，數(shù)據(jù)包的基本傳輸信息和傳策略可以得到應(yīng)用。傳輸信息在數(shù)據(jù)包包頭，它包括3位代碼，可以描述8個(gè)不同的傳輸信道。圖114. 軟件層(Software Layer )軟件層被稱為

34、最重要的部分，因?yàn)樗潜３峙cPCI總線兼容的關(guān)鍵。其目的在于使系統(tǒng)在使用PCI Express啟動(dòng)時(shí)，像在PCI下的初始化和運(yùn)行那樣，無論是在系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的硬件設(shè)備， 還是在系統(tǒng)中的資源，如內(nèi)存、I/O空間和中斷等，它可以創(chuàng)建非常優(yōu)化的系統(tǒng)環(huán)境，而不需要 進(jìn)行任何改動(dòng)。在PCI-Express體系結(jié)構(gòu)中保持這些配置空間和I/O設(shè)備連接的規(guī)范穩(wěn)定是非 常關(guān)鍵的。事實(shí)上，在PCI-Express平臺(tái)中所有操作系統(tǒng)在引導(dǎo)時(shí)都不需要進(jìn)行任何編輯，也 就是說在軟件方面完全可以實(shí)現(xiàn)從 PCI總線平穩(wěn)過渡。在軟件響應(yīng)時(shí)間模式方面，PCI-Express體系結(jié)構(gòu)支持PCI的本地存儲(chǔ)、共享內(nèi)存模式，這樣所有PCI

35、軟件在PCI-Express體系中運(yùn)行都不需任何改變。當(dāng)然新的軟件可能包括新的特 性。物理結(jié)構(gòu)篇在前兩篇中，我們對(duì)PCI Express總線技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)及系統(tǒng)架構(gòu)部分作了詳細(xì)的介紹，本篇 就要帶大家認(rèn)識(shí)PCI Express總的物理結(jié)構(gòu)，以及常見的 PCI Express 設(shè)備，見識(shí)一下PCIExpress 設(shè)備的廬山真面目。、物理結(jié)構(gòu)外觀PCI-Express接口標(biāo)準(zhǔn)更少的信號(hào)線更加有利于I/O子系統(tǒng)的改進(jìn)，并且使新的系統(tǒng)模塊更加方便加入。改進(jìn)的設(shè)計(jì)包括以下幾個(gè)方面：PCI-Express接口是基于現(xiàn)有PCI結(jié)構(gòu)的主板旁加一個(gè)PCI接口一半長(zhǎng)的子接口；更高連接帶寬，如在一個(gè)物理卡中可以支持

36、到最多16條連接，將用新的連接器替代旁邊的PCI或者AGP連接器。這是早期工程師和技術(shù)人員所采用擴(kuò)展 的方式，在PCI總線插槽終端添加一段專用地址， 以使同時(shí)可以支持PCI和CPI Express接口 的設(shè)備，就像EISA接口可以同時(shí)支持EISA和ISA卡一樣。如圖1所示。圖1但后來隨著多信道PCI Express總線技術(shù)的發(fā)展，在高帶寬模式下如果仍采用上述在PCI接口附加的方法顯然行不通，于是工程師們又設(shè)計(jì)出一種完全獨(dú)立于PCI總線的全新總線結(jié)構(gòu)。下圖2所示的是x1和x16模式的插槽結(jié)構(gòu)與現(xiàn)行PCI總線插槽結(jié)構(gòu)的對(duì)比圖。因?yàn)樗煌赑CI 結(jié)構(gòu)，也不是在原有 PCI接口前、后附加端子，原來的

37、 PCI設(shè)備也就不能插在PCI Express 新接口中，所以在近期的主板上為了保持與原有總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相兼容，必須在主板上留有一定的PCI插槽。圖2圖3PCI Exprtu注魄砂1id如式CHKIEWtWt在服務(wù)器中因?yàn)檫@類PCI Express卡較多，所以通常采用專用集線板集中安裝這些板卡設(shè)備，如圖3所示。由此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也可以看出，PCI Express總線將在服務(wù)器中得到更為廣泛的 應(yīng)用。PCI-SIG日前宣布已完成PCI Express 技術(shù)新規(guī)格的制定工作，新規(guī)格PCI Express MiniCard是將PCI Express 技術(shù)面向移動(dòng)平臺(tái)擴(kuò)展而成。該規(guī)格有望成為目前實(shí)際應(yīng)用于移動(dòng)

38、終 端的Mini PCI規(guī)格的后續(xù)規(guī)格，它補(bǔ)充了PCI Express Card的要素，并有望應(yīng)用于按照移動(dòng)PCI-Express 標(biāo)準(zhǔn)除了將替代 AGP和PCI卡外，其它形式的產(chǎn)品也正在積極的發(fā)展之中。 PCIMCIA工業(yè)組織已經(jīng)宣布在PC接口卡下一步發(fā)展一種新規(guī)格的連接卡。新規(guī)格將把桌面機(jī) 和筆記本電腦的外置的接口標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)一。 在未來幾年的發(fā)展中，新卡標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)將朝著小型化 的方向發(fā)展，以滿足輕薄型筆記本和未來臺(tái)式機(jī)設(shè)計(jì)需求。新卡的下一步發(fā)展將結(jié)合體積更小， 在可靠性和易用性方面更強(qiáng)。新卡支持在筆記本電腦和臺(tái)式機(jī)共享設(shè)備之間熱撥插，類似于USB 設(shè)備可以共享一樣。新標(biāo)準(zhǔn)將是一個(gè)自由的開放

39、系統(tǒng)。終端的BTO （按單定制）及CTO （按單配制）商業(yè)模式生產(chǎn)的有線及無線外設(shè)。PCI Express Mini Card規(guī)格制定工作的完成，標(biāo)志著業(yè)界在 PCI Express 技術(shù)開發(fā)領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展，該規(guī)格將使 PCI Express技術(shù)的價(jià)值擴(kuò)展到移動(dòng)市場(chǎng)領(lǐng)域。PCI Express技 術(shù)工作組負(fù)責(zé)人 Ajay Bhatt 表示：PCI Express Mini Card規(guī)格的發(fā)布，擴(kuò)大了 PCI Express技術(shù)開發(fā)的應(yīng)用空間，還可引發(fā)業(yè)界的興趣。該規(guī)格最初主要面向移動(dòng)計(jì)算市場(chǎng)所需的外設(shè)，后 經(jīng)業(yè)界主要OEM和IHV（獨(dú)立硬件制造商）的努力完善而成。如圖4所示的是目前PCI-

40、SIG 組織已確定的有關(guān)PCI Express 總線接口、連接電纜和設(shè) 備外觀，以及其應(yīng)用領(lǐng)域圖示。從圖中要吧清楚地看出各帶寬模式下的PCI Express總線接口插槽和連接電纜外觀。、臺(tái)式機(jī)PCI Express物理接口設(shè)計(jì)規(guī)范為了使大家對(duì)PCI Express插槽接接口物理結(jié)構(gòu)有一個(gè)基本的了解，五面將列舉x1、x4、x8、x16幾種帶寬模式下的PCI Express插槽接接口物理結(jié)構(gòu)中各針腳定義。x1模式下的插槽針腳下定義如下表1所示。表1 x1模式PCI Express總線接口插槽針腳定義針號(hào)B面A面 說明名稱說明名稱1+12v+12v電壓PRSNT1#熱撥插存在檢測(cè)2+12v+12v

41、電壓+12v+ 12v電壓3RSVD保留針腳 +12v+ 12v電壓4GND地GND地5SMCLK系統(tǒng)管理總線時(shí)鐘JTAG2測(cè)試時(shí)鐘、JTAG接口輸出時(shí)鐘6SMDAT系統(tǒng)管理總線數(shù)據(jù)JTAG3測(cè)試數(shù)據(jù)輸出7GND地JTAG4測(cè)試模式選擇8+3.3v+3.3.v 電壓 JTAG5測(cè)試模式選擇9JTAG1 測(cè)試復(fù)位， JTAG 接口復(fù)位時(shí)鐘+3.3v+3.3.v 電壓103.3vaux3.3v 輔助電源+3.3v+3.3.v 電壓11WAKE#鏈接激活信號(hào)PWRGD電源準(zhǔn)備好信號(hào)12RSVD保留針腳GND地13GND地REFCLK+差分信號(hào)對(duì)的參考時(shí)鐘14HSOp(0)0 號(hào)信道發(fā)送差分傳輸信號(hào)對(duì)

42、 REFCLK-15HSOn(0)GND地16GND地HSlOp(0)0 號(hào)信道接收差分信號(hào)對(duì)17PRSNT2#熱撥插存在檢測(cè)HSln(0)18GND地GND地x4 帶寬模式下相對(duì) x1 模式下附加的針腳定義如下表 2 所示。表 2 x1 模式附加針腳定義 針號(hào) B 面 A 面名稱說明名稱說明19HSOp(1)1 號(hào)信道發(fā)送差分信號(hào)對(duì)GND地20HSOn(1)HSip(1)1 號(hào)信道接收差分信號(hào)對(duì)21GND地HSin(1)22GND地GND地23HSOp(2)2 號(hào)信道發(fā)送差分信號(hào)對(duì)GND地24HSOn(2)GND地25GND地HSip(2)2 號(hào)信道接收差分信號(hào)對(duì)26GND地HSin(2)27H