什么是PCI Express 標準（中）

PCI Express 構架

如圖 2 所示，即 PCI Express |0">PCI Express 的層次體系結構。它保持了與 PCI 尋址模式（加載－存儲體系結構且具有單層地址空間）的兼容性，從而保證了所有現有的應用程序和驅動(dòng)操作無(wú)需改變。PCI Express 配置使用的是PCI 即插即用標準中所定義的標準機制。軟件層發(fā)出讀和寫(xiě)請求，并使用基于數據包、分段傳輸的協(xié)議通過(guò)處理層傳輸至I/O 設備。

鏈路層向這些數據包添加序列號和循環(huán)冗余校驗（CRC ）從而創(chuàng )建了一個(gè)高度可靠的數據傳輸機制?；镜奈锢韺影▋蓚€(gè)單工通道，即傳輸對和接收對。這個(gè)傳輸對和接收對一起被稱(chēng)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 標準帶寬。一旦考慮協(xié)議頭，這其中大約200 MB/s 由設備用來(lái)傳輸數據。這一速率是大多數典型 PCI 設備的 2 番到 4 番。而且不同于 PCI 的是，只要總線(xiàn)帶寬在設備之間共享，每一個(gè)設備都 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 耦合差分信號對（一個(gè)傳輸對和一個(gè)接收對），如圖3所示。物理鏈路層信號使用一個(gè)去加重（de-emphasis ）策略來(lái)減少符號間干擾，從而提高了數據完整性。數據時(shí)鐘通過(guò)使用 8b/10b 的解碼策略來(lái)嵌入，從而到達極高的數據傳輸率。初始的信號發(fā)生頻率是每個(gè)方向 2.5 Gb/s （生成1個(gè)信號） 而且它將會(huì )隨著(zhù)硅工藝的提高而增加至每個(gè)方向10 Gb/s（信號在銅線(xiàn)中傳輸可能實(shí)現的最大速率）。兩個(gè)鏈路層的 PCI Express 代理在物理層上傳輸數據包。
圖3 PCI Express 物理連接圖一個(gè)PCI Express 鏈路層的帶寬可能通過(guò)增加信號對形成多個(gè)信道而線(xiàn)性增長(cháng)。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據包在這些信道上分配。使用 8b/10b 編碼方式，每一個(gè)字節在這些信道上傳輸。數據的分拆和整合對于其他層來(lái)說(shuō)是透明的。在初始化階段，每個(gè)PCI Express 鏈路通過(guò)鏈路兩端代理的信道寬度的匹配和頻率操作來(lái)建立。在這其中沒(méi)有固件和操作系統軟件的參與。PCI Express 體系結構提供了將來(lái)通過(guò)速度升級和高級編碼技術(shù)所帶來(lái)的性能提升。將來(lái)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(hù)注意擴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 擴展板使用的 X1 的寬度。隨著(zhù)更高的帶寬要求，越來(lái)越多的板卡將使用更寬的帶寬。早期的PCI Express 計算機提供一個(gè)X16 的連接器以及一些X1 、X4 、X8 插槽的組合，這由計算機面向的客戶(hù)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(chǎng)商需要支持僅在X1 數據率上的擴展板卡，從而浪費了在具有更快接口速率的擴展板卡上的投資。無(wú)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)擴展板卡，都必須在每種情況下向母板生產(chǎn)商確認。例如，一些母板可以在一個(gè)X4 的擴展板卡插入一個(gè)X8 或X1 的插槽時(shí)，以全速率（X4 ）進(jìn)行處理，然而來(lái)自同一廠(chǎng)商的其他母板可能僅以X1 的速率運行。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(lái)圖形擴展的情況下，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。

數據鏈路層

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

處理層接收軟件層的讀和寫(xiě)請求，并創(chuàng )建請求數據包發(fā)送至鏈路層。所有的請求都被分段的處理而且一些請求包需要一個(gè)響應包。處理層也從鏈路層接收響應數據包并且將它與原先的軟件請求相匹配。每一個(gè)數據包都具有一個(gè)唯一的標識，使得響應包能夠指向正確的源。數據包的格式提供了32 位的存儲地址和擴展的64 位地址。數據包也具有諸如“無(wú)偵聽(tīng)”、“靈活排序”“優(yōu)先級”等屬性，這可能用于將這些數據包在I/O 子系統中以最優(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（內存、I/O 和配置）和消息空間。PCI 2.2 引入了另一種廣播系統中斷的方式稱(chēng)為消息信號中斷（MSI ）。作為PCI 2.2 系統中一種可選的性能， 這里使用了一種特殊格式的內存寫(xiě)處理替代硬連接的邊帶信號。PCI Express 技術(shù)指標重新使用了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(lái)接收所有的優(yōu)先的邊帶信號來(lái)作為帶內信號，例如中斷、電源管理請求，和復位。其它PCI 2.2 技術(shù)指標中的“特殊周期”，例如中斷確認，也被處理成帶內消息。您可以將 PCI Express 消息視為“虛擬的線(xiàn)”，因為他們的作用是消除當前平臺上所使用的各種邊帶信號。

軟件層

軟件兼容性對于 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）和運行時(shí)刻。PCI 具有一個(gè)功能強大的初始化模式，其中操作系統可以發(fā)現所有當前添加的硬件設備然后分配系統資源，例如內存、I/O 空間和中斷，從而創(chuàng )建一個(gè)優(yōu)化的系統環(huán)境。PCI 配置空間和I/O 設備可編程能力是PCI Express 體系結構中保持不變的重要概念。PCI 所使用的運行時(shí)刻軟件模式是一個(gè)加載－存儲、共享內存的模式，它在PCI Express 體系結構中得以保持以使得所有現有的軟件能夠無(wú)需改變即可執行。新的軟件也可以利用一些PCI Express 最新的先進(jìn)特性，例如高級開(kāi)關(guān)（本文并未述及）。