什么是PCI Express 標(biāo)準(zhǔn)（中）

PCI Express 構(gòu)架

如圖 2 所示，即 PCI Express |0">PCI Express 的層次體系結(jié)構(gòu)。它保持了與 PCI 尋址模式（加載－存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)且具有單層地址空間）的兼容性，從而保證了所有現(xiàn)有的應(yīng)用程序和驅(qū)動(dòng)操作無需改變。PCI Express 配置使用的是PCI 即插即用標(biāo)準(zhǔn)中所定義的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)制。軟件層發(fā)出讀和寫請(qǐng)求，并使用基于數(shù)據(jù)包、分段傳輸?shù)膮f(xié)議通過處理層傳輸至I/O 設(shè)備。

鏈路層向這些數(shù)據(jù)包添加序列號(hào)和循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC ）從而創(chuàng)建了一個(gè)高度可靠的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制?；镜奈锢韺影▋蓚€(gè)單工通道，即傳輸對(duì)和接收對(duì)。這個(gè)傳輸對(duì)和接收對(duì)一起被稱為一個(gè)信道。2.5 Gb/s 的初始速度提供了在每個(gè)PCI Express 信道上每個(gè)方向上大約250 MB/s 標(biāo)準(zhǔn)帶寬。一旦考慮協(xié)議頭，這其中大約200 MB/s 由設(shè)備用來傳輸數(shù)據(jù)。這一速率是大多數(shù)典型 PCI 設(shè)備的 2 番到 4 番。而且不同于 PCI 的是，只要總線帶寬在設(shè)備之間共享，每一個(gè)設(shè)備都 具有此帶寬。
物理層

基本的PCI Express 鏈路包括兩個(gè)低電壓的AC 耦合差分信號(hào)對(duì)（一個(gè)傳輸對(duì)和一個(gè)接收對(duì)），如圖3所示。物理鏈路層信號(hào)使用一個(gè)去加重（de-emphasis ）策略來減少符號(hào)間干擾，從而提高了數(shù)據(jù)完整性。數(shù)據(jù)時(shí)鐘通過使用 8b/10b 的解碼策略來嵌入，從而到達(dá)極高的數(shù)據(jù)傳輸率。初始的信號(hào)發(fā)生頻率是每個(gè)方向 2.5 Gb/s （生成1個(gè)信號(hào)） 而且它將會(huì)隨著硅工藝的提高而增加至每個(gè)方向10 Gb/s（信號(hào)在銅線中傳輸可能實(shí)現(xiàn)的最大速率）。兩個(gè)鏈路層的 PCI Express 代理在物理層上傳輸數(shù)據(jù)包。
圖3 PCI Express 物理連接圖一個(gè)PCI Express 鏈路層的帶寬可能通過增加信號(hào)對(duì)形成多個(gè)信道而線性增長(zhǎng)。物理層提供 x1, x2, x4, x8, x12, x16 和x32 信道寬度，理論上它將輸入的數(shù)據(jù)包在這些信道上分配。使用 8b/10b 編碼方式，每一個(gè)字節(jié)在這些信道上傳輸。數(shù)據(jù)的分拆和整合對(duì)于其他層來說是透明的。在初始化階段，每個(gè)PCI Express 鏈路通過鏈路兩端代理的信道寬度的匹配和頻率操作來建立。在這其中沒有固件和操作系統(tǒng)軟件的參與。PCI Express 體系結(jié)構(gòu)提供了將來通過速度升級(jí)和高級(jí)編碼技術(shù)所帶來的性能提升。將來的速度、編碼技術(shù)或者媒介僅僅會(huì)影響物理層。

在PCI Express 中使用不同的信道寬度需要用戶注意擴(kuò)展板要求的帶寬以及與母板提供的帶寬相匹配。除了圖形卡以外（通常是X16 ），許多早期的PCI Express 擴(kuò)展板使用的 X1 的寬度。隨著更高的帶寬要求，越來越多的板卡將使用更寬的帶寬。早期的PCI Express 計(jì)算機(jī)提供一個(gè)X16 的連接器以及一些X1 、X4 、X8 插槽的組合，這由計(jì)算機(jī)面向的客戶所決定。PCI Express 允許在不匹配的信道寬度上進(jìn)行一些交互操作，這取決于不匹配的方向。在一個(gè)較小寬度的連接器上使用更大寬度的擴(kuò)展板卡是向下插入。例如，利用PCI ，您可以在一個(gè)32 位的插槽上插入一個(gè)64 位的PCI 板卡。

然而，在 PCI Express 中，向下插入在物理上被擴(kuò)展板卡和連接器所阻止。另一中不匹配在一個(gè)較大的連接器上使用一個(gè)較小的擴(kuò)展板卡是向上插入。向上插入是允許的，但是會(huì)受到限制在這種配置下，母板廠商需要支持僅在X1 數(shù)據(jù)率上的擴(kuò)展板卡，從而浪費(fèi)了在具有更快接口速率的擴(kuò)展板卡上的投資。無論一個(gè)特定的母板在向上插入配置時(shí)能否在全速率時(shí)處理一個(gè)擴(kuò)展板卡，都必須在每種情況下向母板生產(chǎn)商確認(rèn)。例如，一些母板可以在一個(gè)X4 的擴(kuò)展板卡插入一個(gè)X8 或X1 的插槽時(shí)，以全速率（X4 ）進(jìn)行處理，然而來自同一廠商的其他母板可能僅以X1 的速率運(yùn)行。在一個(gè)母板既帶有集成圖形控制器（板載）又帶有一個(gè) X16 的 PCI Express 插槽以用于將來圖形擴(kuò)展的情況下，通常不可能在板載圖形卡使能的同時(shí)使用那個(gè) X16 的插槽。

數(shù)據(jù)鏈路層

鏈路層的主要作用就是保證數(shù)據(jù)包在 PCI Express 鏈路上的可靠傳輸。鏈路層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)完整性并向處理層的數(shù)據(jù)包添加序列號(hào)和循環(huán)冗余校驗(yàn)，如圖4所示。大部分?jǐn)?shù)據(jù)包在處理層初始化。一個(gè)基于優(yōu)先數(shù)的、流量控制的協(xié)議保證了數(shù)據(jù)包僅在另一端具有接收這個(gè)數(shù)據(jù)包的緩沖區(qū)情況下才能傳輸，這樣就去除了任何數(shù)據(jù)包的請(qǐng)求以及由于資源限制而引起的總線帶寬浪費(fèi)。鏈路層會(huì)自動(dòng)的重新收發(fā)一個(gè)被標(biāo)記為損壞的數(shù)據(jù)包。
處理層

處理層接收軟件層的讀和寫請(qǐng)求，并創(chuàng)建請(qǐng)求數(shù)據(jù)包發(fā)送至鏈路層。所有的請(qǐng)求都被分段的處理而且一些請(qǐng)求包需要一個(gè)響應(yīng)包。處理層也從鏈路層接收響應(yīng)數(shù)據(jù)包并且將它與原先的軟件請(qǐng)求相匹配。每一個(gè)數(shù)據(jù)包都具有一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)，使得響應(yīng)包能夠指向正確的源。數(shù)據(jù)包的格式提供了32 位的存儲(chǔ)地址和擴(kuò)展的64 位地址。數(shù)據(jù)包也具有諸如“無偵聽”、“靈活排序”“優(yōu)先級(jí)”等屬性，這可能用于將這些數(shù)據(jù)包在I/O 子系統(tǒng)中以最優(yōu)的路徑傳輸。

處理層提供4 個(gè)地址空間3 個(gè)PCI 地址空間（內(nèi)存、I/O 和配置）和消息空間。PCI 2.2 引入了另一種廣播系統(tǒng)中斷的方式稱為消息信號(hào)中斷（MSI ）。作為PCI 2.2 系統(tǒng)中一種可選的性能， 這里使用了一種特殊格式的內(nèi)存寫處理替代硬連接的邊帶信號(hào)。PCI Express 技術(shù)指標(biāo)重新使用了MSI 概念以作為一種主要的中斷處理方式，并且使用了消息空間來接收所有的優(yōu)先的邊帶信號(hào)來作為帶內(nèi)信號(hào)，例如中斷、電源管理請(qǐng)求，和復(fù)位。其它PCI 2.2 技術(shù)指標(biāo)中的“特殊周期”，例如中斷確認(rèn)，也被處理成帶內(nèi)消息。您可以將 PCI Express 消息視為“虛擬的線”，因?yàn)樗麄兊淖饔檬窍?dāng)前平臺(tái)上所使用的各種邊帶信號(hào)。

軟件層

軟件兼容性對(duì)于 PCI Express 是極為重要的。軟件兼容性有兩個(gè)方面初始化（或者列舉）和運(yùn)行時(shí)刻。PCI 具有一個(gè)功能強(qiáng)大的初始化模式，其中操作系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn)所有當(dāng)前添加的硬件設(shè)備然后分配系統(tǒng)資源，例如內(nèi)存、I/O 空間和中斷，從而創(chuàng)建一個(gè)優(yōu)化的系統(tǒng)環(huán)境。PCI 配置空間和I/O 設(shè)備可編程能力是PCI Express 體系結(jié)構(gòu)中保持不變的重要概念。PCI 所使用的運(yùn)行時(shí)刻軟件模式是一個(gè)加載－存儲(chǔ)、共享內(nèi)存的模式，它在PCI Express 體系結(jié)構(gòu)中得以保持以使得所有現(xiàn)有的軟件能夠無需改變即可執(zhí)行。新的軟件也可以利用一些PCI Express 最新的先進(jìn)特性，例如高級(jí)開關(guān)（本文并未述及）。