PCI-Express總線簡析

PCI Express是一個計算機系統(tǒng)總線的名稱，不過大家聽得最多的還是“接口”這個詞。PCI Express的確是下一代的總線接口，而采用此類接口的產品，多為顯卡，而PCI-E接口的顯卡，也已在2004年正式面世。早在2001年的春季“英特爾開發(fā)者論壇”（IDF2001）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，并稱之為第三代I/O總線技術。隨后在2001年底，包括Intel、AMD、DELL、IBM在內的20多家業(yè)界主導公司開始起草新技術的規(guī)范，并在2002年完成，對其正式命名為PCI Express。看來，新技術也并不是一促而僦的，它也需要長期的準備，這樣，才會讓它一面世便擁有相當的成熟度。

特點

1、點對點連接方式
　　和傳統(tǒng)的PCI總線相比，PCI Express在工作方式上有了根本的革新——采用點對點總線連接方式。我們知道傳統(tǒng)的PCI總線是以獨占帶寬的方式進行工作的，任何一個時間PCI總線上只能有一個設備進行通訊，一旦PCI總線上設備增多，總線控制權爭用的問題就會嚴重制約PCI設備性能的發(fā)揮。PCI Express總線采用了點對點的連接方式，每個設備在要求傳輸數據的時候各自建立自己的傳輸通道，對于其他設備這個通道是封閉的，各個通道互不干擾，數據傳輸的效率因此大為提高。
2、串行的傳輸方式
　　PCI Express的數據傳輸為串行方式，使用“電壓差動式信號傳輸”，即是兩條線路，以相互間的電壓差作為邏輯“0”“1”的表示。每兩條線路組成一個通路(Lane)，每個通路的理論傳送速率為2.5Gbit/s，實際中可以有兩個傳送通路，分為上行和下行，這樣PCI Express就可以工作在雙工狀態(tài)下，能提供更高的傳輸速率和質量。
3、高速率傳輸
　　PCI Express分為x1、x2、x4、x8、x16和x32幾種形式。形狀上看x1最短，越往上則越長。它們是向下兼容的。PCI Express x16單通道就具有5GB/s（2.5Gb×16/8＝5GB/s）帶寬，不過由于采用8b/10b編碼，事實上的有效帶寬為4GB/s（扣除20％的植入時鐘信號）。同理，替代現行PCI插槽的“PCI Express x1”單通道應該具有250MB/s的帶寬，而傳統(tǒng)PCI總線的帶寬為133MB/s。PCI-Express的高帶寬，能實現更高的數據吞吐能力。

注：x1表示有1條數據通道，x2表示有2條數據通道，x4表示有4條數據通道，依此類推。
4、熱插拔的支持(須主板支持）
　　PCI Express總線數據傳輸距離長達3m，使得各硬件子系統(tǒng)完全可在空間上彼此分開，只用線纜連接。它支持熱插拔功能，可對所有的接入設備進行實時監(jiān)控，這樣硬件廠商可設計出形狀和大小都符合模塊化要求的部件，用戶需要擴充和升級硬件時，只需要把舊的拔掉，新的插上就可以了，不用關機。
5、良好兼容性
　　另外PCI Express總線還在軟件級別上兼容PCI規(guī)范，不需要更新操作系統(tǒng)和BIOS，即可使用。未來采用PCI Express總線的主板仍可支持PCI插槽，各種PCI接口的擴展卡可以低帶寬模式正常運行。這就為PCI Express的迅速普及提供了基礎，不需面對等待軟件的尷尬。

總體系統(tǒng)架構

1、PCI Express基本結構

PCI Express的基本結構包括根組件（Root Complex）、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-PCI Bridge），以保持與現有PCI兼容。當然，像PCI Express-PCI的橋設備也可能存在。在PCI Express架構中的新設備是交換器（Switch），它取代了現有架構中的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PCI Express 1.0的拓撲結構圖。

圖-1

2、PCI與PCI Express總線結構比較

為了便于與現行的PCI總線結構進行有效對比，現把兩種總線的桌面系統(tǒng)架構并列于下圖2中。

圖-2

在圖中現有的PCI架構中，用于顯卡的接口為AGP，而新的PCI Express架構中以PCI Express取代了，現有PCI架構I/O橋接器中的PCI/PCI-X橋接器在PCI Express架構中全部以Switch交換器取代，增加了一些PCI Express總線接口用于與終端設備連接，當然為了保持與現有PCI兼容，在第一版PCI Express架構中仍保留PCI接口。

3、桌面、移動和服務器系統(tǒng)中PCI Express總線技術的應用

PCI Express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PCI Express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PCI Express總線的系統(tǒng)架構。除此之外，在網絡中同樣可以以使用PCI Express總線技術進行通信，結構圖如圖4所示。

圖-3

從圖3中的兩個應用架構比較可以看出，PCI Express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PCI Express總線來與芯片連接的，而在桌面機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。

圖-4

從圖中可以看出，PCI Express總線在網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器、工作站和網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。