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http://www.xianbear.com 作者：邓霆锋小熊西安 2003年04月15日11:34【转载】

【文章简介】

今年年初在美国举行的“英特尔2003年春季开发者论坛”上，PCI Express总线技术引起了人们的浓厚兴趣。 (4569 字)

系统飞翔的羽翼—-PCI Express总线

早已成为瓶颈的PCI总线

作为计算机内部必不可少的I/O（Input/Output）总线，PCI从上世纪90年代开始就充当着非常重要的角色。从ISA到PCI，系统总线的传输速度产生了质的飞跃。但经过10年的发展，PCI已经不能再满足传输上日益增长的数据量的需求。当不少人还满足于收发E-Mail、浏览网页、文字处理等日常应用时，更快速的图形卡、更高性能的网络连接和更高频率的处理器正悄悄地来到我们身边，同时基于多媒体内容的创作和处理即将给未来的计算机系统带来繁重的负担。1997年出现的AGP总线就是一个很好的例子，它令高性能图形卡终于有用武之地，也同时表明PCI总线已经满足不了当时（包括现在和未来）图形芯片的需要。到了今天，主板南北桥（根据不同的厂商称呼有所不同）专用互连总线更是令PCI总线几乎成为摆设，众所周知EIDE、USB、10/100Mbps以太网功能都已经集成在主板芯片组里面而无须动用PCI总线。这些新总线的出现一方面表明系统的带宽在不断地升级，另一方面则是PCI已经不能满足系统的需要了。整个PC业界迫切需要一个统一标准的取代PCI的总线技术，这也就是我们本文的主角——PCI Express。

PCI总线的历代发展

PCI总线构架

日趋成熟的PCI Express

其实早在2001年的春季IDF（Intel开发者论坛）上，Intel公司已经宣布要用一种新的技术取代PCI总线和多种芯片的内部连接，并称之为第三代I/O总线技术（3rd Generation I/O，也就是3GIO）；到了2001年底，包括Intel、AMD、DELL、IBM等20多家业界主导公司加入了PCI-SIG（PCI特殊兴趣小组）并开始起草3GIO规范的草案；2002年草案完成，并把3GIO正式命名为PCI Express。而结束不久的春季IDF 2003上，Intel公布了PCI Express的产品开发计划。根据趋势来看，PCI Express总线技术的产品交付必须到2004年中期，无疑这是革命性的总线技术，那PCI EXPRESS的技术特点究竟是什么呢？下面我们将为大家一一剖析。

称为PCI Express的3GIO

从并行到串行的转变：

与传统PCI以及更早期的计算机总线的共享并行架构相比，PCI Express采用设备间的点对点串行连接（serial interface）。如此一来即允许每个设备都有自己的专用连接，不需要向整个总线请求带宽，同时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（也就能轻松提供目前PCI总线所不能望顶的高带宽）。单个基本的PCI Express连接是一种单双单工连接（4线，2线用于发送，2线用于接收）。

PCI Express连接方式

每个设备都有专用连接

第一代的PCI Express连接将提供2.5Gbit/s的单向连接传输速率，而当到2004年初的时候这个速率将提升至5Gbit/s。相对于传统PCI总线在单一时间周期内只能实现单向传输，PCI Express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。同时PCI Express串行连接使用了内嵌时钟技术（8b/10b模式），时钟信息直接写入数据流中，这对比大多数并行总线要额外传输保持同步的时钟信号来说更能节省传输的通道和提高传输效率。

8b/10b编码

与Serial ATA类似，串行连接能大大减少电缆间的信号干扰和电磁干扰，由于传输管线有所减少，所以传输电缆排线也就相应减少，更能节省空间和连接更远的距离（单位时间内传输的数据流比并行总线中独立时钟信号的数据流更能传送更远的距离）。当然，一个PCI Express连接可以由多个“通道”组成，每个通道包括前面所提的单双工连接（两对线路）。在设备和芯片之间的连接就能实现串行的多通道连接，每个通道相互独立。一个PCI Express连接可以被配置成x1，x2，x4，x8，x12，x16和x32的数据带宽。x1的通道能实现单向312.5MB/秒（2.5Gbit/s * 1 / 8位）的传输速率，同理x32通道连接就能提供10GB/秒的速率，但考虑到8b/10b内嵌时钟的20%左右的消耗，实际的传输速率大概是8GB/秒（x32）。

分层分包协议：

分层协议的意思就是根据数据的传输类型跟功能不同而分成不同的层面，因此在单独更新/升级其中某一层的话并不会对其他层造成影响。

两种总线的层架构比较

PCI Express包含3个协议层：处理层（Transaction）、数据连接层（Data Link）和物理层（Physical），当数据在设备间传输时，每个设备都会被看成一个协议栈（protocol stack）。

数据传输过程

在发送端，数据先从处理层被分成一块块的数据包，然后继续到下一层数据连接层和物理层，每一层都将在原有的数据上加入新的信息，最后通过物理连接传输到接受端设备的协议栈中；在接受端，接收过来的信息通过物理层——数据连接层——处理层还原成原来的数据。

从下图我们可以看到，物理层负责组装和分解处理层数据，同时掌握连接结构以及信号的控制，保证数据能实现端到端的通信，使合法的数据从发送端传输到整个PCI Express架构。顺利达到接受端。而数据连接层则保证连接完整无缺地从一端传输到另一端，采用了Ack/Nack协议技术，能检测错误并进行修正。

数据包在不同层的处理

数据传输基本模式

PCI Express采用的是嵌套式数据包结构，低位层的数据包包裹着高位层的数据包，应用层包裹在数据包的最深处。

嵌套式数据包结构

数据包处理和插槽：

PCI Express数据包处理包含4种基本的处理类型：内存处理、I/O处理、配置处理和信息处理。

PCI-X数据处理

PCI Express数据处理

采用基本的流控制来保证接受端设备有足够的缓冲资源接受来自发送端的数据（包括数据的容量和类型）。

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）目前的PCI接口将保留（就如当初PCI代替ISA时也在主板上留下ISA槽一样）。较短的PCI Express卡可以插入较长的的PCI Express插槽中使用（也就是说低位宽的能插入高位宽的插槽使用）。

各种不同位宽的插槽

同时PCI Express卡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。

PCI Express支持的电压

取代AGP接口的插槽位宽为x16，能够达到5GB/s的带宽（由于8b/10b编码的损耗所以实际的带宽应该为4GB/s左右）。

PCI Express PC架构演示：

从技术白皮书及幻灯片上我们已经能初步能领略到基于PCI Express技术的桌面平台、移动平台和服务器平台的风采。无可否认，我们将能看到PCI Express技术下更为明晰的服务器设计，但未来的服务器是否大量采用PCI Express技术，在目前来讲还是为时过早。桌面系统：从图中我们可以看出，AGP插槽将被PCI Express取代，同时提供千兆以太网的芯片组界面，另外，未来南北桥之间的高速互连也将采用PCI Experss。

移动系统：AGP同样被PCI Express取代，同时，它将提供一些为移动系统量身订做的插槽如底座接口、PC卡接口以及各种主板高速I/O设备（譬如千兆以太网等）的连接。

服务器系统：通过PCI Express将大部分部件连接到主芯片组上，并且可以附带上InfiniBand架构体系。可以想象，PCI Express将在服务器领域上应用最广和影响最大。

桌面系统革新

移动系统革新

服务器系统革新

自身的缺陷——PCI Express的不足

就目前的消息来看，PCI Express即使能解决传输带宽的问题，但其额定支持的功率是不足的（额定支持功率为60W，AGP为25到40W），而PCI Express界面的NV40功率消耗将达到65W，也就是说在PCI Express上使用NV40将要外接电源以弥补缺少的功率（就如现在在AGP上使用Radeon 9700一样），同样的情况存在于消耗功率为70W的R350身上，这意味着未来我们在升级显示卡的时候很可能要连同电源一起升级......

不断攀升的显示卡耗电量

厂商态度——成败的关键

PC发展史上没有一种南北桥接总线能达到PCI总线的普及水平，从INTEL于1998年带来的INTEL Hub架构到VIA的V-LINK、AMD的Hyper Transport，这些连接技术毫无疑问给数据传输带来更宽的总线带宽，但同样没达到PCI总线的标准化。这是相对于PCI出台的时候，目前的硬件厂商变得非常“聪明”，在这个竞争越来越激烈的时代，谁也不想完全被别人规范自己的行动，毕竟有选择才有竞争，而有竞争才有进步，这也是目前系统总线技术多元化的原因，所以能获得相对多厂商支持的技术才有可能普及和标准化。就PCI Express和HyperTransports来说，可以看出nVIDIA和ALi似乎对后者兴趣大得多（ALi甚至会在它们的Pentium4芯片组上使用HyperTransports协议），而ATi则回继续它的A-Link和A-Link2，VIA在自有的V-LINK、INTEL的PCI Express和AMD的HyperTransports之间犹豫不决，SIS已经明确表示会支持PCI Express——前提是明年3GIO普及后。

模糊的未来？——PCI Express展望

新总线使命必然就是让更高速的I/O连接和相应的插槽和界面能在未来许多年内成为标准并持续发展。但是，就目前的趋势来看，由于硬盘的内部传输速度依然是大多数计算机的瓶颈，PCI Express似乎并不能带来什么实质的性能提升，因为串行ATA（Serial ATA）将直接连接到南桥上；同时由于PCI Express采用内嵌时钟技术进行串行连接，其中的8b/10b编码会占用20%的带宽资源，令响应时间增长，这恰恰是密集型多处理器设计中的致命伤。这意味着PCI Express不能作为内置的处理器之间的连接，也不能作为处理器到北桥的连接。而且就在目前来说，PCI Express已经不止一个对手了，PCI-X 1.0可以提供1GB/s的带宽（理论值），PCI-X 2.0更能提供4.26GB/s的高带宽并能直接支持服务器芯片组，这对PCI Express的普及起很大的阻碍作用，从不少大型服务器芯片组生产商家的反映来看，他们在未来几年的发展计划中基本上很少甚至是没有推出基于PCI Express产品的意愿，因为在他们心目中，PCI总线将继续发展，直到66MHz/64-bit，然后就是PCI-X，接着就是PCI-X 2.0。这令PCI Express处于比较尴尬的境地。

结语：

无可质疑的，PCI Express将成为一项非常重要的计算机技术，但就目前来看，PCI Express能有所作为的生存市场首先将是取代现有的AGP-8X，在刚刚结束的2003春季IDF（Intel开发者论坛）上，Intel表明在2004年开始将在其全线芯片组中加入对PCI Express系统总线的支持，同时PCI Express的图形界面将迅速取代目前的AGP图形界面。这对业界来说无疑是一支强心针，但近来在服务器领域上，厂商们对服务器的总线标准化又展开了争论，他们普遍将在2005年后才转换到基于PCI Express的服务器平台，无论如何，新的总线技术必然会取代旧的，就如PCI取代ISA一样，但不要忘记，早在80年代陪伴我们的ISA直到如今才逐渐引退……

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