PCI-Express詳解

1、基礎篇隨著Intel800MHzFSB芯片組i875P的推出，Intel同時也向世人顯示一個全新的總線技術即將推出，那就是由Intel首先提出并開發(fā)的3GIO總線。后來這一技術提交PCI-SIG（PCI特殊興趣組織），由PCI-SIG改名為"PCIExpress",以標準的形式正式推出，目前的最新版本為v1.0o本連載就要帶大家深入了解這一即將改變整個計算機系統(tǒng)結構、成為下一代總線標準的總線技術。首先本文要向大家介紹的是一些基礎知識。一、PCI標準的發(fā)展歷史要了解PCIExpress總線技術的提出原因，我們先來簡要回顧一下PCI總線的發(fā)展歷史目前應用的計算機內部總線技術為P

2、CI，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總線技術屬同一個公司開發(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，PCI的競爭對手是VESA本地總線（VL-bus或VLB）,它是由視頻電子標準協(xié)會提出的32bit總線，在標準的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。但是當時作為486處理器/內存總線的直接擴展，VESA是運行在與處理器相同的頻

3、率上，因此名為"本地總線"，這種直接的擴展意味著如果連接的設備過多，則很可能會干擾處理器自身的工作，特別是當信號通過一個插槽時。于是VESA標準中建議在33MHz頻率上只使用2個插槽，或者在總線使用電子緩沖時使用3個。在更高的頻率上不能連接2個以上的設備，而在50MHz時它們則必須都內建于主板內。由于VESA與處理器同步工作，因而隨著處理器頻率的提高，VESA總線類型的外圍設備工作頻率也得隨著提高，但是外圍設備要求的速度越高，其造價也就更高，對外圍設備的生產(chǎn)成本控制造成了極大的不利。因此，VESA只能工作在40MHz以內的頻率上。當時與VESA競爭的PCI總線技術，相對VE

4、SA來說優(yōu)勢非常明顯，因為它是一種中間性的總線，獨立于CPU，但又與主內存相連。同時PCI總線能夠與處理器異步運行，額定頻率為25MHz、30MHz和33MHz。當處理器的頻率增加時，PCI總線頻率仍然能夠保持不變。PCI允許的最大插槽數(shù)或外部設備數(shù)為5個或者更多，而且還不必考慮總線速度、緩沖或其它電器問題的限制。其它的特點則使得設備的使用更加簡便。即插即用功能讓系統(tǒng)自動進行外圍設備的設置，而不必再手動設置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總線的真正應用是隨著Int

5、el的Pentium處理器的誕生而開始的，由于在當時與其競爭對手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)一了標準，從此以后，幾乎所有的外圍設備，從硬盤控制器、聲卡到網(wǎng)卡和顯卡，都使用PCI插槽。二、PCIExpress總線的提出因為PCIExpress總線技術的提出是基于現(xiàn)行PCI總線技術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總線技術自上世紀90年代初期開始至今已為我們服務了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

6、EISA和MCA、VL總線到PCI、64位PCI-/66MHz、PCI-X，而處理器卻通常是每個摩爾周期性能就要提高一倍（一個摩爾周期為18個月）。正是這種技術發(fā)展上的不同步，使得PCI總線慢慢成為了整個系統(tǒng)的瓶頸。雖然PCI總線技術至今仍是主流，但實際上就其本質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年前就第一個從PCI總線中分離出來，形成單獨一種總線技術，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：提升顯卡的性能和將圖像數(shù)據(jù)從PCI總線中獨立出來，P

7、CI被解放出來供其它設備使用。同時隨著RAID陣列，千兆以太網(wǎng)和其他高帶寬設備在消費級系統(tǒng)上的出現(xiàn)，PCI133MB/S的帶寬明顯不能滿足這些應用的需要了。芯片組制造商們已經(jīng)預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以減輕PCI總線的負擔。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總線不僅要應對南北橋之間的通信，還有普通的PCI設備、IDE、各種I/O（串口、并口、PS/2）和USB設備的通信。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

8、別使用專用連接方式連接到南橋芯片。如Intel自800系列芯片組開始采用HubLink連接技術，AMD的芯片組之間采用HyperTransfor技術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。如圖1所示的就是目前的一種典型的主板芯片架構，從這個架構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在連接。MemoryBridgellqtiUtikornthers!/0Bridge66MHZ/64位的PCI總在90年代后期，在服務器和工作站中的高速磁盤和網(wǎng)絡適配器開始向線轉移，于是又形成了

9、PCI-X新總線標準，不久PCI-X2.0標準也出現(xiàn)了。接下來在系統(tǒng)內部南、北橋芯片之間的總線技術也開始繞過PCI采用其它總線技術，在外設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，今天我們的計算機系統(tǒng)無論是在計算機內部，還是在外部，各自為政的總線技術混在一起，統(tǒng)一總線標準和提高總線帶寬已是當務之急。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)在復雜多媒體數(shù)據(jù)實時傳輸?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整傳輸速；它的同步時鐘數(shù)據(jù)傳輸受單一上升沿限制，而信

10、號路由規(guī)則又受到經(jīng)濟的FR4技術（注：FR4是一種板材技術）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更高帶寬、通用的I/O總線。今天，軟件應用越來越依靠硬件平臺，特別是I/O子系統(tǒng)。各種不同的音、視頻數(shù)據(jù)流應用在桌面和筆記本電腦來臺中應用已非常普遍，但是在目前來說帶寬仍是制約其應用的主要因素，仍未有一個完全的解決方案，無論是PCI2.2，還是PCI-X。在服務器中，實時音、視頻應用在服務器中也受到嚴重限制。許多通信應用和高級PC控制系統(tǒng)同樣需要實時的數(shù)據(jù)。今天的桌面PC平臺中，都必須面對在同一時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)有計算機系統(tǒng)在郵

11、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)應用等諸方面都表示非常滿意，但隨著計算機應用領域的不斷擴大，仍然有許多當前和潛在的任務需要更快的處理器、圖形處理、網(wǎng)絡和存儲子系統(tǒng)，而這些要求最終的結果就是在這些子系統(tǒng)之間需要更快的連接。如我們的計算機正日益成為家庭數(shù)碼中心，執(zhí)行許多復雜的內容制作和數(shù)據(jù)操作任務，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，和一些實時3D游戲。還有如真實聲音識別和同步、強大而又精確的生物測定，和先進的加密技術。高端PC和工作站將被用來處理更多科學計算和工程計算，高質量的3D動畫影片制作和編譯，先進的金融

12、體系，和許多其它復雜工程。正是基于PCI以上這些種種不足和計算機的應用需求，Intel提出了替代PCI總線的新總線技術-PCIExpress。在2001年春節(jié)的Intel開發(fā)者大會上，Intel展示在將用來替代PCI總線和各種不同內部芯片連接的第三代I/O總線技術，當時Intel稱之為"3GIO"，意為"第三代I/O標準"。根據(jù)Intel的說明，這個3GIO技術落后標準將成為下一個10標準，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技術優(yōu)勢PCIExpress之所以能迅速得到業(yè)界的承認，并且被大家公認為下一代10

13、年總線標準，它具有鮮明的技術優(yōu)勢，它可以全面解決PCI總線技術所面臨的種種問題。有專家預計，PCIExpress的設計不只要取代PCI及AGP的插槽，同時也會是一些電腦內部系統(tǒng)連接接口，如處理器、繪圖、網(wǎng)絡及磁盤的I/O子系統(tǒng)芯片間的連接。下面就來具體介紹這個新總線技術有哪些關鍵技術優(yōu)勢：-在兩個設備之間點對點串行互聯(lián)（兩個芯片之間使用接口連線；設備之間使用數(shù)據(jù)電纜；而PCIExpress接口的擴展卡之間使用連接插槽進行連接）；與PCI所有設備共享同一條總線資源不同，PCIExpress總線采用點對點技術，能夠為每一塊設備分配獨享通道帶寬，不需要在設備之間共享資源，這樣充分保障了各設備的寬帶資

14、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)輿速度。在傳輸速度上，1.0版本的PCIExpress將從每個信道單方向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現(xiàn)近乎"無限"的擴展傳輸能力。-靈活擴展性、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直接與系統(tǒng)內的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控制器，不必再擔心由于改用FireWi

15、re或USB等其它接口技術而使存儲系統(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構，如單x1帶寬模式只需4線即可實現(xiàn)調整數(shù)據(jù)傳輸，實際上是每個通道只需4根線，發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的信號線各一根，另外各一根獨立的地線。當然實際上在單通道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

16、線那樣進行熱撥插和熱交換。支持QoS鏈接配置和公證策略-支持同步數(shù)據(jù)傳輸PCIExpress總線設備可以通過主機橋接器芯片進行基于主機的傳輸，也可以通過交換器進行點對點傳輸；-具有數(shù)據(jù)包和層協(xié)議架構它采用類似于網(wǎng)絡通信中的OSI分層模式，各層使用專門的協(xié)議架構，所以可以很方便地在其它領域得到廣泛應用。-每個物理鏈接含有多點虛擬通道類似于InfiniBand,PCIExpress總線技術在每一個物理通道中也支持多點虛擬通道，理論上來講每一個單物理通道中可以允許有8條虛擬通道通道進行獨立通信控制，而且每個通信的數(shù)據(jù)包都定義不同的QoS。正因如此，它與外設之間的連接就可以得到非常的數(shù)據(jù)傳輸速率。-可

17、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，具體將在下篇介紹。-具有錯誤處理和先進的錯誤報告功能這也是得益于PCIExpress總線的分層架構，它具有軟件層，軟件層的主要功能就是進行錯誤處理和提供錯誤報告，具體將在下篇介紹。使用小型連接，節(jié)約空間，減少串攏PCIExpress技術不需要像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總線的導線數(shù)量減少了將近75%（PCIExpress總線也會有好幾種版本的），速度會加快而且數(shù)據(jù)不需要同步。同時因為主板上走線少了，從而可以使通過增加走線數(shù)量提升總線寬度

18、的方法就更容易實現(xiàn)，同時各走線之間的間隔就可以更寬，減少了相互之間的串擾。在軟件層保持與PCI兼容跨平臺兼容是PCIExpress總線非常重要的一個特點。目前被廣泛采用的PCI2.2設備可以在這一新標準提供的低帶寬模式下運行，不會出現(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平滑的升級平臺。同時由舊M創(chuàng)導的PCI-X接口標準在PCIExpress標準中也得到了兼容，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，大家都認為PCIExpress將成為今后10年內的主要內部總線連接標準，它不但將被用在臺式機、筆記本電腦以及服務器平臺上，甚至會繼續(xù)延伸到

19、網(wǎng)絡設備的內部連接設計中四、PCIExpress總線的前景PCI-Express體系結構符合第三代I/O總線的所有需求。PCI-Express的不同就在于點對點的串行連接，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用以每針100MB/s的速度進行傳輸。它的先進特征的自由縮放性能將及成為統(tǒng)一的I/O方案而全面進入臺式機、筆記本電腦、服務器、通信、工作站的內置設備等領域。PCI-Express連接是執(zhí)行多通道、點對點連接的，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，其成本與當前工作PCI架構相當，甚至更

20、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，幾乎沒有誰會再懷疑PCIExpress將是下一代總線標準。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加入到CPIExpress技術之中，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，但實際上至少在目前為止還遠不是說這話的時候，特別是在服務器和工作站中，

21、因為在其中早已有像Infiniband和PCI-X總線技術得到廣泛的應用。還有如RapdIO和Intel自己的超線程技術等。正如PCIExpress工作小組Arapahoe所說的那樣，以上所說的這些解決方案面向的目標與PCIExpress總線不同。RapidIO和超線程技術是針對那些特殊的應用，而PCIExpress則是為一般應用所設計的。PCIExpress取代超線程技術而作為處理器之間接口的可能性也幾乎是不存在的，因為PCIExpress缺乏高速緩存一致性協(xié)議，在同步時鐘周期內高于并行接口的潛伏期也使它不適于此類應用。所以，AMD和nVidia沒什么可害怕的，Intel也不會用它來取代P4

22、總線，因為一個開放的PCIExpress標準意味著Intel無法再為P4總線授權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，而且這確保了它有著廣闊的應用前景。由于有著許多改變，所以從PCI到PCIExpress的轉變不會在一夜之間完成。ISA插槽掙扎了近10年才最后被PCI總線全面取代而消失，所以不要認為你的PCI設備已經(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，在桌面機和服務器中全面采用PCIExpress接口

23、的設備更不是近兩、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Lindenhurst和TwinCastle芯片組來PCIExpress的未來看上去充片組的Intel主板。引進PCIExpress滿希望。系統(tǒng)架構篇nVidia和ATi的顯卡產(chǎn)品以及基于在服務器終端市場，Intel想要通過由于各種新的因素和富有前途的性能表現(xiàn)，PCIExpress總線的產(chǎn)生和技術優(yōu)勢,在上一篇我們了解了術的優(yōu)越性還得從其結構本身說起，所以本篇就要全面介紹但要真正理解PCIExpress總線技PCIExpress總線的結構。、總體系統(tǒng)架構先來看一下PCIExpress系統(tǒng)架

24、構在正式了解PCIExpress串行鏈接物理和邏輯結構前，的方框圖。你可以看到PCIExpress連接器已被移植到系統(tǒng)中的各個不同部分，為將來的高速設備提供連接點。PCIExpress的基本結構包括根組件(RootComplex)、交換器(Switch)和各種終端設備(Endpoint"根組件可以集成在北橋芯片中，用于處理器和內存子系統(tǒng)與I/O設備之間的連接，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。當然，像PCIExpress-PCI的橋設備也可能存在。在PCIExpress架構中的新設

25、備是交換器(Switch)，它取代了現(xiàn)有架構中的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備間進行對等通信。下圖1就是PCIExpress1.0的拓撲結構圖。PCI伸部為了便于與現(xiàn)行的PCI總線結構進行有效對比，現(xiàn)把兩種總線的桌面系統(tǒng)架構并列于下圖在圖中現(xiàn)有的PCI架構中，用于顯卡的接口為AGP，而新的PCIExpress架構中以PCIExpress取代了，現(xiàn)有CPI架構I/O橋接器中的PCI/PCI-X橋接器在PCIExpress架構中全部以Switch交換器取代，增加了一些PCIExpress總線接口用于與終端設備連接，當然為了保持與現(xiàn)有PCI兼容，在第一版PCIEx

26、press架構中仍保留CPI接口。PCIExpress總線技術將全面應用于桌面/移動和服務器系統(tǒng)中，但各自的體系結構不完全相同，如圖3左圖所示的是桌面機和移動筆記本電腦中使用PCIExpress總線的系統(tǒng)架構，而圖3右圖所示的是服務器和工作站中使用PCIExpress總線的系統(tǒng)架構。除此之外，在網(wǎng)絡中同樣可以以使用PCIExpress總線技術進行通信，結構圖如圖4所示。從圖3中的兩個應用架構比較可以看出，PCIExpress總線技術在服務器和工作站中的應用更為徹底，在服務器/工作站中除了內存子系統(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，而在桌面機中在目前來說還

27、主要是取代顯卡中的AGP總線和其它PCI板卡，如網(wǎng)卡，至于硬盤和外設接口都仍是采用相應的總線接口直接與芯片組連接。FCIEkufLin«Lin*LinaCardcardcardcantcard從圖中可以看出，PCIExpress總線在網(wǎng)絡中的應用也是非常徹底的，除了內存子系統(tǒng)外,幾乎所有的外設及內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器、工作站和網(wǎng)絡設備得到徹底應用，在桌面機中主要以先取代AGP和部分PCI接口開始。二、PCIExpress的體系結構PCIExpress體系結構采用分層設計，就像網(wǎng)絡通

28、信中的七層OSI結構一樣，這樣利于跨平臺的應用。Physical)和軟件層(SoftwareLayer)。PCI-Express體系結構如圖5所示。它共分為四層，從下到上分別為：物理層（”均屬于軟件層。Layer）、數(shù)據(jù)鏈路層（LinkLayer）、處理層（TransactionLayer圖中的“S/W”和“Config/OSPCIExpress的體系結構兼容于PCI地址結構模式，使得所有已有應用和驅動程序均不需作任何修改即可應用到新總線系統(tǒng)中。PCI-Express配置使用標準的PCI即插即用規(guī)格標準。下面對以上各層分別進行具體介紹。ConngjosSfWTnnsactiar*)-1油Phy

29、tical)PCIFnPModtHrattnun,coFtig)1. 物理層(PhysicalLayer物理層是最低層，它負責接口或者設備之間的鏈接，是物理接口之間的連接，可對應于網(wǎng)絡中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，如點對點串行連接、微差分信號驅動、熱撥插、可配置帶寬等。初始的單一串行PCIExpress鏈接包含兩個低電壓微分驅動信號對（4線的接收和發(fā)送對）的雙向連接，即“發(fā)送”和“接受”信號。數(shù)據(jù)時鐘使用8/10b解碼方式來達到相當高的數(shù)據(jù)速率（這一技術同時也在其它串行總線技術中，如InfiniBand和RapidIO）,時鐘信息直接被編

30、碼成數(shù)據(jù)流，比起分離信號時鐘更好。微分信號受兩個不同方向的電壓驅動，初始PCIExpress的鏈接信號發(fā)送速率為單線每個方向2.5GB/s，預計到2004年可達到5GB/s的信號傳輸速率，使用先進的硅技術把數(shù)據(jù)傳輸速率提高到10GHz（達到銅線傳輸?shù)睦碚撋献畲笾担ｋp向連接允許數(shù)據(jù)在兩個方向上同時傳輸，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，在雙向連接中可得到高速、更好質量的傳輸信號。單線雙向信號線及傳輸流程如圖6所示。圖6_WMIh<.O4J'1在圖中的兩個紅色箭頭代表兩個不同的方向（發(fā)送和接收）的數(shù)據(jù)包，從圖中可以看

31、出，單線數(shù)據(jù)傳輸每個方向只需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帶寬信道每個方向就有16個不同的信號對，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，實際速率只可達8GB/s，留有20%富余。PCIExpress體系結構可以通過速度的提高和先進的編碼技術來升級，但這些速度的提高、編碼的改進和媒介的改變均只影響物理層，所以對于整個PCIExpress架構來說升級是非常方便的。PC

32、IExpress總線數(shù)據(jù)流的傳輸情加快了整個數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，提高了不可不對稱配置，也就是說說兩個方向PCIExpress接口在外設中的應用情況下需要著重考慮的，在計算如圖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，因為PCIExpress屬于點對點串行連接，所以在單信道情況下，數(shù)據(jù)流是一個字節(jié)一個字節(jié)地傳輸。在圖的右邊顯示的是多信道情況下況。因為有多外信道，所以數(shù)據(jù)可以依次傳輸?shù)礁鱾€信道，數(shù)據(jù)傳輸效率，這有點類似于網(wǎng)絡中的磁盤陣列。不過在此要注意的一點是，連接的雙方信道配置要一致，的信道數(shù)要相等。這主要是機內部，通常兩上PCIExpress

33、設備之間不會有什么通信請求，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圖形總線應該采用非對稱設計，來取代原有的16信道同步連接計劃，因為他們認為從圖形卡向系統(tǒng)內存?zhèn)鬏數(shù)臄?shù)據(jù)會更少些。Lane十LinrByteStream.conceptuaE圖7在物理層的另一處重要方面就是中斷。PCIExpress支持兩個類型的中斷，現(xiàn)行的PCIINTx(x=A,B,C,orD)中斷被保留下來了，仍可在PCIExpress總線中應用。還有一個新的中斷類型，那就是MSI(MessageSignaledInterrupt，信息信號中斷)，MSI中斷可以進一步優(yōu)化PCI.2

34、/2.3設備。INTx中斷方式可以用信號方式中斷主機芯片請求，它可以與現(xiàn)行的PCI總線的驅動程序和操作系統(tǒng)兼容。PCIExpress設備必須支持INTx和MS兩種中斷模式，原有設備將壓縮INTx中斷信息在PCIExpress處理信息中。MSI中斷是通過內存寫處理操作邊沿觸發(fā)和發(fā)送的。重新編寫驅動程序對于MSI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)中任何設備都可以發(fā)送中斷，比起主機直接發(fā)送中斷更加有效，所以現(xiàn)在許多多處理器系統(tǒng)和I/O架構都對MSI中斷技術提供支持。2. 數(shù)據(jù)鏈路層(LinkLayer)數(shù)據(jù)鏈路層的主要

35、職責就是確保數(shù)據(jù)包可靠、正確傳輸。它的任務是確保數(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傳輸。排隊了所有數(shù)據(jù)的重試，使得信道帶寬浪費現(xiàn)象得到有效地約束。但數(shù)據(jù)鏈路層在信號中斷時自動重新傳輸數(shù)據(jù)包。傳輸過程如圖8所示。DmT-Lay*rPacketCftCFraniE|L-LayerPacketFrameTransaotionLayer-拿LinkLayer-dr-physicalLayer3. 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

36、立一個請求包傳輸?shù)芥溄訉印Ｋ姓埱蠖际欠蛛x執(zhí)行，有些請示包將需要一個響應包。處理層同時接受從鏈路層傳來的響應包，并與原始的軟件請求關聯(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)通過整個組織(包括源設備和目標設備，甚至包括可能通過的多個橋接器和交換器)。在PCIExpress總線技術中，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)。每個數(shù)據(jù)包都有一個可以使響應包定向于

37、正確發(fā)起者的唯一標識符，包的格式支持32位內存地址和擴展64位內存地址。包同時還有如“非窺探”、“無嚴格排序”和“優(yōu)先權”等屬性，這些屬性將應用于優(yōu)化路由I/O子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包。處理層包括4個地址空間，其中3個是PCI接口原有的，如內存、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標準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)格格式的內存寫事物代替無邊信號硬寫，如中斷、電源管理請求、復位等等有關信息方面。另一個PCI2.2標準的特殊循環(huán)，如

38、中斷響應也屬于信息執(zhí)行范疇。你可以把PCI-Express信息稱之為“虛擬線”，因為它們的影響將消除現(xiàn)有執(zhí)行平臺中的廣闊無限頻帶信號的排列。這幾個地址空間類型的用途如下表所示。不同地址空間的傳輸類型地址空間處理類型基本用途內存讀/寫處理來自或發(fā)送到內存中的數(shù)據(jù)I/O讀/寫處理來自或發(fā)送到I/O節(jié)點中的數(shù)據(jù)配置讀/寫設備配置或者設置信息基線/供應商定義/先進交換處理從事件信號機制到通用目信息的所有信息PCIExpress使用數(shù)據(jù)包和層協(xié)議結構，而不需任何邊帶及旁路主流串行連接信號。層協(xié)議已經(jīng)在數(shù)據(jù)通信中使用多年，它們允許在不同協(xié)議的功能區(qū)域中保持分離，而且可以不用做任何改動更新或者濃縮在其它不同

39、層中。如新的處理類型可以包括在新的協(xié)議版本中，而不會影響下面的層，或者物理媒介可以被更換，而不會對更高層有大的影響。下圖9說明了PCIExpress的3個協(xié)議層（處理層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層）在數(shù)據(jù)傳輸中的作用，數(shù)據(jù)流從一個設備的處理層發(fā)起，經(jīng)過數(shù)據(jù)鏈路層，到物理的總線接口設備，然后通過相應的PCIExpress數(shù)據(jù)電纜傳輸?shù)搅硪辉O備的物理層設備，經(jīng)過另一設備的數(shù)據(jù)鏈路層再傳到處理層進行處理，第一層都代表一個協(xié)議棧。DataFlowthruPCIExpressLaywrSri.PCISoftwarePCIExpress*Software_d>a«hiiiiihiiaibiiabf

40、adi-4i-ibTransactionDataLink4iDataLinkPhysicalMectianrcaf-Physical3FIi+*-i«+!I#41Hi+4Bi-i9fc+r1MAchant-csl圖10顯示了數(shù)據(jù)包在兩個設備中傳輸?shù)膶嶋H流程，高層數(shù)據(jù)包信息被壓縮在低層封裝包中，應用級數(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位冗余校驗碼，在數(shù)據(jù)鏈路層是使用16位校驗碼的。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)。PCIExpress處理層使用基于信任的流控制機制來確保接收設備有足夠的緩存資源用于接受從發(fā)送端設備所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大小和類型。Pack

41、etFormat仍n*Formano-nof網(wǎng)Gk，tsretletrslayn，。srchltetiur«ktforrr圖10講到數(shù)據(jù)處理，再來講一下PCIExpress總線接口中新的結構，那就是虛擬通道(Virtuallan)。類似于InfiniBand,PCIExpress總線技術在每一個物理信道中也支持多點虛擬通道，理論上來講每一個單物理信道中可以允許有8條虛擬通道信道進行獨立通信控制。每個通信的數(shù)據(jù)包都定義不同的QoS，如圖11所示。當數(shù)據(jù)包通過PCIExpress組織傳輸時，在每個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用。傳輸信息在數(shù)據(jù)包包頭，它包括3

42、位代碼，可以描述8個不同的傳輸信道。圖114. 軟件層(SoftwareLayer)軟件層被稱為最重要的部分，因為它是保持與PCI總線兼容的關鍵。其目的在于使系統(tǒng)在使用PCIExpress啟動時，像在PCI下的初始化和運行那樣，無論是在系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的硬件設備,還是在系統(tǒng)中的資源，如內存、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，而不需要進行任何改動。在PCI-Express體系結構中保持這些配置空間和I/O設備連接的規(guī)范穩(wěn)定是非常關鍵的。事實上，在PCI-Express平臺中所有操作系統(tǒng)在引導時都不需要進行任何編輯，也就是說在軟件方面完全可以實現(xiàn)從PCI總線平穩(wěn)過渡。在軟件響應時間模式方

43、面，PCI-Express體系結構支持PCI的本地存儲、共享內存模式，這樣所有PCI軟件在PCI-Express體系中運行都不需任何改變。當然新的軟件可能包括新的特性。物理結構篇在前兩篇中，我們對PCIExpress總線技術的基礎知識及系統(tǒng)架構部分作了詳細的介紹，本篇就要帶大家認識PCIExpress總的物理結構，以及常見的PCIExpress設備，見識一下PCIExpress設備的廬山真面目。一、物理結構外觀PCI-Express接口標準更少的信號線更加有利于I/O子系統(tǒng)的改進，并且使新的系統(tǒng)模塊更加方便加入。改進的設計包括以下幾個方面：PCI-Express接口是基于現(xiàn)有PCI結構的主板旁

44、加一個PCI接口一半長的子接口；更高連接帶寬，如在一個物理卡中可以支持到最多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人員所采用擴展的方式，在PCI總線插槽終端添加一段專用地址，以使同時可以支持PCI和CPIExpress接口的設備，就像EISA接口可以同時支持EISA和ISA卡一樣。如圖1所示。圖1但后來隨著多信道PCIExpress總線技術的發(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，于是工程師們又設計出一種完全獨立于PCI總線的全新總線結構。下圖2所示的是x1和x16模式的插槽結構與現(xiàn)行PCI總線插槽結構的對比圖。因為它不同于

45、PCI結構，也不是在原有PCI接口前、后附加端子，原來的PCI設備也就不能插在PCIExpress新接口中，所以在近期的主板板上為了保持與原有總線系統(tǒng)結構相兼容，必須在主板上留有一定的PCI插槽。圖2在服務器中因為這類PCIExpress卡較多，所以通常采用專用集線板集中安裝這些板卡設備，如圖3所示。由此系統(tǒng)結構也可以看出，PCIExpress總線將在服務器中得到更為廣泛的應用。圖3PCI-Express標準除了將替代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)格將把桌面機和筆記本電腦的外置的接口標準進行統(tǒng)

46、一。在未來幾年的發(fā)展中，新卡標準的目標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式機設計需求。新卡的下一步發(fā)展將結合體積更小，在可靠性和易用性方面更強。新卡支持在筆記本電腦和臺式機共享設備之間熱撥插，類似于USB設備可以共享一樣。新標準將是一個自由的開放系統(tǒng)。PCI-SIG日前宣布已完成PCIExpress技術新規(guī)格的制定工作，新規(guī)格PCIExpressMiniCard是將PCIExpress技術面向移動平臺擴展而成。該規(guī)格有望成為目前實際應用于移動終端的MiniPCI規(guī)格的后續(xù)規(guī)格，它補充了PCIExpressCard的要素，并有望應用于按照移動終端的BTO（按單定制）及CTO（按單

47、配制）商業(yè)模式生產(chǎn)的有線及無線外設。PCIExpressMiniCard取得了重大進展，該規(guī)格將使術工作組負責人AjayBhatt規(guī)格制定工作的完成，標志著業(yè)界在PCIExpress技術開發(fā)領域PCIExpress技術的價值擴展到移動市場領域。PCIExpress技表示：PCIExpressMiniCard規(guī)格的發(fā)布，擴大了PCIExpress后技術開發(fā)的應用空間，還可引發(fā)業(yè)界的興趣。該規(guī)格最初主要面向移動計算市場所需的外設,經(jīng)業(yè)界主要OEM和IHV（獨立硬件制造商）的努力完善而成。如圖4所示的是目前PCI-SIG組織已確定的有關PCIExpress總線接口、連接電纜和設備外觀，以及其應用領域

48、圖示。從圖中要吧清楚地看出各帶寬模式下的PCIExpress總線接口插槽和連接電纜外觀。圖4二、臺式機PCIExpress物理接口設計規(guī)范為了使大家對PCIExpress插槽接接口物理結構有一個基本的了解，五面將列舉x1、x4、x8、x16幾種帶寬模式下的PCIExpress插槽接接口物理結構中各針腳定義。x1模式下的插槽針腳下定義如下表1所示。表1x1模式PCIExpress總線接口插槽針腳定義針號B面A面名稱說明名稱說明熱撥插存在檢測電壓電壓1 +12v+12v電壓PRSNT1#2 +12v+12v電壓+12v+12v3 RSVD保留針腳+12v+12v4 GND地5 SMCLK6SMDA

49、TGND地系統(tǒng)管理總線時鐘系統(tǒng)管理總線數(shù)據(jù)JTAG2測試時鐘、JTAG接口輸出時鐘JTAG3測試數(shù)據(jù)輸出7GND地JTAG4測試模式選擇8 +3.3v+3.3.V電壓JTAG5測試模式選擇9 JTAG1測試復位，JTAG接口復位時鐘+3.3v+3.3.V電壓10 3.3vaux3.3v輔助電源+3.3v+3.3.V電壓11 WAKE#鏈接激活信號PWRGD電源準備好信號12 RSVD保留針腳GND地13 GND地REFCLK+差分信號對的參考時鐘14 HSOp(0)0號信道發(fā)送差分傳輸信號對REFCLK-15 HSOn(0)GND地16 GND地HSlOp(0)0號信道接收差分信號對17 PR

50、SNT2#熱撥插存在檢測HSln(0)18 GND地GND地x4帶寬模式下相對x1模式下附加的針腳定義如下表2所示。表2x1模式附加針腳定義針號B面A面名稱說明名稱說明19 HSOp(1)1號信道發(fā)送差分信號對GND地20 HSOn(1)HSip(1)1號信道接收差分信號對21 GND地HSin(1)22 GND地GND地23 HSOp(2)2號信道發(fā)送差分信號對GND地24 HSOn(2)GND地25 GND地HSip(2)2號信道接收差分信號對26 GND地HSin(2)27 HSOp(3)3號信道發(fā)送差分信號對GND地28 HSOn(3)GND地29 GND地HSip(3)3號信道接收差

51、分信號對30 RSVD保留針腳HSin(3)31 PRSNT2#熱撥插存在檢測GND地32 GND地RSVD保留針腳X8模式相對x4模式下附加的針腳定義如下表3所示。表3x4模式附加針腳定義針號B面A面名稱說明名稱說明33 HSOp(4)4號信道發(fā)送差分信號對RSVD保留針腳34 HSOn(4)HSip(4)4號信道接收差分信號對35 GND地HSin(4)36 GND地GND地37 HSOp(5)5號信道發(fā)送差分信號對GND地38 HSOn(5)GND地39 GND地HSip(5)5號信道接收差分信號對40 GND地HSin(5)41 HSOp(6)6號信道發(fā)送差分信號對GND地42 HSO

52、n(6)GND地43 GND地HSip(6)6號信道接收差分信號對44 GND地HSin(6)45 HSOp(7)7號信道發(fā)送差分信號對GND地46 HSOn(GND地47 GND地HSip(7)7號信道接收差分信號對48 PRSNT2#熱撥插存在檢測HSin(7)49 GND地GND地X16模式相對x8模式下附加的針腳定義如下表4所示。表4x4模式附加針腳定義針號B面A面名稱說明名稱說明50 HSOp(8號信道發(fā)送差分信號對RSVD保留針腳51 HSOn(GND地52 GND地HSip(5)8號信道接收差分信號對53 GND地HSin(54 HSOp(9)9號信道發(fā)送差分信號對GND地55

53、HSOn(9)GND地56 GND地HSip(9)9號信道接收差分信號對57 GND地HSin(9)58 HSOp(10)10號信道發(fā)送差分信號對GND地59 HSOn(10)GND地60 GND地HSip(10)6號信道接收差分信號對61 GND地HSin(10)62 HSOp(11)11號信道發(fā)送差分信號對GND地63 HSOn(11)GND64 GND地HSip(11)11號信道接收差分信號對65 GNDHSin(11)66 HSOp(12)12號信道發(fā)送差分信號對GND地67 HSOn(12)GND68 GND地HSip(12)12號信道接收差分信號對69 GNDHSin(12)70

54、HSOp(13)13號信道發(fā)送差分信號對GND地71 HSOn(13)GND72 GND地HSip(13)13號信道接收差分信號對73 GNDHSin(13)74 HSOp(14)14號信道發(fā)送差分信號對GND地75 HSOn(14)GND76 GND地HSip(14)13號信道接收差分信號對77 GNDHSin(14)78 HSOp(15)15號信道發(fā)送差分信號對GND地79 HSOn(15)GND80 GND地HSip(15)15號信道接收差分信號對81 PRSNT2#熱撥插存在檢測HSin(15)82 RSVD保留針腳GND地對比以上各表可以看出，各種帶寬模式下的PCIExpress總線

55、接口插槽主要區(qū)別在于信道0號信道基礎附加一的多少，而主要控制功能是在0號信道的模式下，其它模式下的插槽是在些發(fā)送和接收差分信號對連接，以及相應的地線。X還是Express?PCI技術之爭摘自:2003-10-2115:34:08近段時間以來，服務器內部總線的標準之爭又開始呈現(xiàn)出了一種白熱化的趨勢。在服務器領域的幾個巨頭中，舊M和惠普都先后表示將從2004年開始，在服務器中采用PCI-X技術；而舊M和惠普強大的競爭對手戴爾電腦，則隨后對外宣布將采用與舊M和惠普所采用的PCI-X技術不同的另外一種標準一一PCIExpress。在這種服務器巨頭們分別支持不同的PCI標準的情況下，有關專家認為市場將會展開一場新的競爭。PCI-X標準PCI-X技術可能采用的是Broadcom子公司ServerWorks的新芯片組來連接處理器與內存，以及其他如PCI的I/O系統(tǒng)，而雙方已經(jīng)在不久前正式推薦PCI-X技術,不過到目前為止并不是所有的巨頭都認同這項技術的。而另一種PCIExpress連接服務器內部芯片的技術，是與ServerWorks一樣，會創(chuàng)建新芯片組來連結處理器與電腦的其他組件。PCI是當前電腦內部連接網(wǎng)絡卡或音效卡