什么是PCI Express 標準（上）

本白皮書(shū)主要著(zhù)眼已經(jīng)得到廣泛采用的PCI |0">PCI 總線(xiàn)的成功優(yōu)勢所在，同時(shí)詳細介紹下一代高性能I/O 互連技術(shù)PCI Express 它將作為標準的局域I/O 總線(xiàn)被廣泛應用于未來(lái)各種計算機平臺。本白皮書(shū)還將就PC 總線(xiàn)技術(shù)的演變歷程、PCI Express 的物理層和軟件層、PCI Express 所能帶來(lái)的益處和競爭優(yōu)勢以及此項嶄新技術(shù)在測量自動(dòng)化系統領(lǐng)域里預示的令人振奮的深遠意義，做個(gè)整體技術(shù)性概述。

PC 的演進(jìn)歷史

上世紀90 年代初，PCI 總線(xiàn)一經(jīng)推出，即統一了當時(shí)并存的多種I/O 總線(xiàn)，諸如VESA 局域總線(xiàn)，EISA，ISA 和微通道等等，如圖1所示。它首先被用于實(shí)現芯片與芯片間互連并替代了不全面的 ISA 總線(xiàn)。在早期，33MHz PCI總線(xiàn)很好地滿(mǎn)足了當時(shí)主流外設I/O 的帶寬需要。然而現在情況發(fā)生了變化，處理器速度驚人地提高，以及處理器和內存的頻率也不斷 地攀升。在這一期間，PCI 總線(xiàn)的頻率由33MHz 提高到66MHz， 而處理器的速度由33MHz 提高到3GHz 。一個(gè)具有新I/O 技術(shù)的總線(xiàn)設備如千兆以太網(wǎng)和 IEEE 1394B ，就可能占用幾乎所有 PCI 總線(xiàn)帶寬。
PCI 總線(xiàn)歷史和概述

和以前的總線(xiàn)相比，PCI 總線(xiàn)具有很多優(yōu)勢，其中最重要的是處理器的獨立性，帶緩沖的隔離，總線(xiàn)主控和真正的即插即用。帶緩沖的隔離真正地實(shí)現了CPU 局域總線(xiàn)和 PCI 總線(xiàn)間在電路和時(shí)鐘方面的隔離。這一特性能為系統性能帶來(lái)兩個(gè)主要好處。首先是 PCI 總線(xiàn)和CPU 總線(xiàn)可以工作在各自的時(shí)鐘周期；第二是由于有獨立的PCI 總線(xiàn)速度和負載，可單獨提高CPU 局域總線(xiàn)的頻率。通過(guò)總線(xiàn)主控，PCI 設備以仲裁處理方式訪(fǎng)問(wèn) PCI 總線(xiàn)并且能直接控制總線(xiàn)處理業(yè)務(wù)，而不用等主CPU 為設備提供服務(wù)，從而使得整個(gè)I/O 處理業(yè)務(wù)的等待時(shí)間減少。即插即用操作，可以自動(dòng)檢測和配置設備，得到基本地址不再需要中斷運行和手工設置開(kāi)關(guān)跳線(xiàn)，而這些都曾使 ISA 板卡的用戶(hù)感到很棘手。

PCI 面臨的挑戰

出色的 PCI 已經(jīng)享受到了成功的殊榮，而今開(kāi)始面臨一系列新的挑戰，包括帶寬的限制，主管腳數的限制，缺乏如同步數據傳輸這樣的實(shí)時(shí)數據傳輸服務(wù)以及沒(méi)有下一代I/O 所需的服務(wù)質(zhì)量，以及電源管理和虛擬I/O 等問(wèn)題。
自從PCI 推出以來(lái)，我們不斷完善PCI 的各項規格，試圖跟上日益增加的更高I/O 要求。各階段具體革新總結如下表所示：
對于PCI 和由其衍生的總線(xiàn)來(lái)說(shuō)，協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)和總線(xiàn)拓撲結構導致可使用的總線(xiàn)帶寬要小于理論帶寬?？偩€(xiàn)上的設備要共享可用帶寬，這是PCI 主要的局限性。由于PCI 的時(shí)鐘頻率已不能滿(mǎn)足某些應用的要求，由其衍生出來(lái)的其它一些總線(xiàn)，如PCI-X 和高級圖像端口（AGP ），則通過(guò)提高總線(xiàn)頻率來(lái)緩解帶寬的壓力。增加頻率的副作用是總線(xiàn)連通距離和總線(xiàn)收發(fā)器可驅動(dòng)連接器的數量也會(huì )相應縮短和減少，這樣就導致了對PCI 總線(xiàn)的分割。每個(gè)片斷都需要一個(gè)完整的 PCI-X 總線(xiàn)來(lái)連通主驅動(dòng)芯片和所有功能插槽。例如，每一部分64 位的PCI-X 需要150 個(gè)管腳。很顯然，要實(shí)現這樣的連線(xiàn)，板層數和芯片封裝引腳都會(huì )有很大的難度并且成本非常昂貴。這種額外的成本只有在對帶寬有嚴格要求的情況下才有價(jià)值，如服務(wù)器。

諸如數據采集，波形生成，包含音頻和視頻流的多媒體應用等需要保證帶寬和有確定的等待時(shí)間，如果不能滿(mǎn)足這一點(diǎn)，有經(jīng)驗的用戶(hù)也會(huì )束手無(wú)措。原始的PCI 規范并沒(méi)有考慮這些問(wèn)題，這是因為在制定規范時(shí)上述應用并不普及。如今的同步數據傳輸，如高清晰度的無(wú)壓縮視頻和音頻，要求I/O 系統包含同步傳輸功能。同步傳輸的另一個(gè)作用是：和典型的PCI 設備相比，局域 PCI Express 設備只用少得多的內存就能實(shí)現緩沖功能，從而把所使用的可變帶寬降至最低。

最后，對下一代I/O 的要求如服務(wù)質(zhì)量測量和電源管理等，能提高數據的完整性并允許有選擇地關(guān)閉系統設備對于現代PC 不斷增加的電源功率來(lái)說(shuō)這是需要重點(diǎn)考慮的。虛擬通道允許數據通過(guò)虛擬路由來(lái)傳送；即使其它通道被更重要的處理業(yè)務(wù)所阻塞，也一樣能進(jìn)行數據傳輸。

盡管 PCI 總線(xiàn)在某些方面已有些過(guò)時(shí)，但是轉變到PCI Express 還要經(jīng)過(guò)一個(gè)長(cháng)期過(guò)程，并且未來(lái)許多年里PCI 總線(xiàn)將仍然是I/O 擴展的強有力競爭者。隨著(zhù)PCI Express 技術(shù)日益贏(yíng)得認可和廣泛采用，2004 年以及此后推出的新型PC 將會(huì )同時(shí)配有PCI 插槽和PCI Express 插槽。