PCI-Express總線(xiàn)簡(jiǎn)析

PCI Express是一個(gè)計算機系統總線(xiàn)的名稱(chēng)，不過(guò)大家聽(tīng)得最多的還是“接口”這個(gè)詞。PCI Express的確是下一代的總線(xiàn)接口，而采用此類(lèi)接口的產(chǎn)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(kāi)發(fā)者論壇”（IDF2001）上，英特爾公司就提出了要用新一代的技術(shù)取代PCI總線(xiàn)和多種芯片的內部連接，并稱(chēng)之為第三代I/O總線(xiàn)技術(shù)。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(kāi)始起草新技術(shù)的規范，并在2002年完成，對其正式命名為PCI Express?？磥?lái)，新技術(shù)也并不是一促而僦的，它也需要長(cháng)期的準備，這樣，才會(huì )讓它一面世便擁有相當的成熟度。

特點(diǎn)

1、點(diǎn)對點(diǎn)連接方式
　　和傳統的PCI總線(xiàn)相比，PCI Express在工作方式上有了根本的革新——采用點(diǎn)對點(diǎn)總線(xiàn)連接方式。我們知道傳統的PCI總線(xiàn)是以獨占帶寬的方式進(jìn)行工作的，任何一個(gè)時(shí)間PCI總線(xiàn)上只能有一個(gè)設備進(jìn)行通訊，一旦PCI總線(xiàn)上設備增多，總線(xiàn)控制權爭用的問(wèn)題就會(huì )嚴重制約PCI設備性能的發(fā)揮。PCI Express總線(xiàn)采用了點(diǎn)對點(diǎn)的連接方式，每個(gè)設備在要求傳輸數據的時(shí)候各自建立自己的傳輸通道，對于其他設備這個(gè)通道是封閉的，各個(gè)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(dòng)式信號傳輸”，即是兩條線(xiàn)路，以相互間的電壓差作為邏輯“0”“1”的表示。每?jì)蓷l線(xiàn)路組成一個(gè)通路(Lane)，每個(gè)通路的理論傳送速率為2.5Gbit/s，實(shí)際中可以有兩個(gè)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(zhì)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(cháng)。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(guò)由于采用8b/10b編碼，事實(shí)上的有效帶寬為4GB/s（扣除20％的植入時(shí)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PCI總線(xiàn)的帶寬為133MB/s。PCI-Express的高帶寬，能實(shí)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(lèi)推。
4、熱插拔的支持(須主板支持）
　　PCI Express總線(xiàn)數據傳輸距離長(cháng)達3m，使得各硬件子系統完全可在空間上彼此分開(kāi)，只用線(xiàn)纜連接。它支持熱插拔功能，可對所有的接入設備進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，這樣硬件廠(chǎng)商可設計出形狀和大小都符合模塊化要求的部件，用戶(hù)需要擴充和升級硬件時(shí)，只需要把舊的拔掉，新的插上就可以了，不用關(guān)機。
5、良好兼容性
　　另外PCI Express總線(xiàn)還在軟件級別上兼容PCI規范，不需要更新操作系統和BIOS，即可使用。未來(lái)采用PCI Express總線(xiàn)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(gè)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(lái)為I/O總線(xiàn)提供輸出端。交換器支持在不同終端設備間進(jìn)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(xiàn)結構比較

為了便于與現行的PCI總線(xiàn)結構進(jìn)行有效對比，現把兩種總線(xiàn)的桌面系統架構并列于下圖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(xiàn)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(dòng)和服務(wù)器系統中PCI Express總線(xiàn)技術(shù)的應用

PCI Express總線(xiàn)技術(shù)將全面應用于桌面、移動(dòng)和服務(wù)器系統中，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(dòng)筆記本電腦中使用PCI Express總線(xiàn)的系統架構，而圖3右圖所示的是服務(wù)器和工作站中使用PCI Express總線(xiàn)的系統架構。除此之外，在網(wǎng)絡(luò )中同樣可以以使用PCI Express總線(xiàn)技術(shù)進(jìn)行通信，結構圖如圖4所示。

圖-3

從圖3中的兩個(gè)應用架構比較可以看出，PCI Express總線(xiàn)技術(shù)在服務(wù)器和工作站中的應用更為徹底，在服務(wù)器/工作站中除了內存子系統與芯片組之間的通信外，其它都是采用PCI Express總線(xiàn)來(lái)與芯片連接的，而在桌面機中在目前來(lái)說(shuō)還主要是取代顯卡中的AGP總線(xiàn)和其它PCI板卡，如網(wǎng)卡，至于硬盤(pán)和外設接口都仍是采用相應的總線(xiàn)接口直接與芯片組連接。

圖-4

從圖中可以看出，PCI Express總線(xiàn)在網(wǎng)絡(luò )中的應用也是非常徹底的，除了內存子系統外，幾乎所有的外設及內置板卡都是直接或者間接通過(guò)PCI Express總線(xiàn)與芯片組連接的。
綜上所述，目前來(lái)說(shuō)PCI Express總線(xiàn)主要還是先從服務(wù)器、工作站和網(wǎng)絡(luò )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(kāi)始。