精解PCI Express之--基礎(chǔ)篇 - DELL.doc

1、首先PCI Express和PCI不同的是實(shí)現(xiàn)了傳輸方式從并行到串行的轉(zhuǎn)變。PCI Express是采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的串行連接方式，這個(gè)和以前的并行通道大為不同，它允許和每個(gè)設(shè)備建立獨(dú)立的數(shù)據(jù)傳輸通道。不用再向整個(gè)系統(tǒng)請(qǐng)求帶寬，這樣也就輕松的到達(dá)了其他接口設(shè)備可望而不可及的高帶寬.PCI Express和以往的各個(gè)接口的數(shù)據(jù)傳輸率的對(duì)比:總線類型數(shù)據(jù)傳輸率ISA8.33MB/SEISA133MB/SVISA133MB/SPCI133MB/SAGP266MB/SAGP-2X533MB/SAGP-4X1。O66GB/SAGP-8X2.133GB/SPCI Express1X（雙通道）500MB/SPCI

2、 Express2X(雙通道）1GB/SPCI Express4X（雙通道）2GB/SPCI Express8X（雙通道)4GB/SPCI Express16X(雙通道）8GB/SPCI Express接口根據(jù)總線接口對(duì)位寬的要求不同而有所差異，分為PCI Express1X、2X、4X、8X、16X甚至32X。由此PCI Express的接口長(zhǎng)短也不同。1X最小，往上側(cè)越大。同時(shí)PCI Express不同接口還可以向下兼容其他PCI Express小接口的的產(chǎn)品。既PCI Express4X的設(shè)備可以插在PCI Express8X或16X上進(jìn)行工作。這樣,只要您擁有先進(jìn)的主板，就沒必要非得升

3、級(jí)檔次稍差的顯卡了.它良好的向下兼容性也使不少業(yè)界人士看好。精解PCI Express之基礎(chǔ)篇隨著Intel 800MHz FSB芯片組i875P的推出，Intel同時(shí)也向世人顯示一個(gè)全新的總線技術(shù)即將推出,那就是由Intel首先提出并開發(fā)的3GIO總線。后來這一技術(shù)提交PCISIG(PCI特殊興趣組織)，由PCISIG改名為”PCI Express”,以標(biāo)準(zhǔn)的形式正式推出，目前的最新版本為v1.0。本連載就要帶大家深入了解這一即將改變整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、成為下一代總線標(biāo)準(zhǔn)的總線技術(shù).首先本文要向大家介紹的是一些基礎(chǔ)知識(shí)。一、PCI標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展歷史要了解PCI Express總線技術(shù)的提出原因，

4、我們先來簡(jiǎn)要回顧一下PCI總線的發(fā)展歷史目前應(yīng)用的計(jì)算機(jī)內(nèi)部總線技術(shù)為PCI，即"Peripheral Component Interconnect”，中文名為"外圍組件互連”,它是由Intel于1991年提出的（與本文要介紹的PCI-Express總線技術(shù)屬同一個(gè)公司開發(fā)的)。后來，PCISIG小組接替了Intel的PCI規(guī)范的發(fā)展，在1993年5月發(fā)布了PCI 2。0。那時(shí),PCI的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手是VESA本地總線（VLbus或VLB），它是由視頻電子標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)提出的32bit總線，在標(biāo)準(zhǔn)的ISA插槽之后提供附加的第三和第四接口，額定頻率33MHz,并且能夠提供超過ISA。但是

5、當(dāng)時(shí)作為486處理器/內(nèi)存總線的直接擴(kuò)展，VESA是運(yùn)行在與處理器相同的頻率上，因此名為”本地總線"，這種直接的擴(kuò)展意味著如果連接的設(shè)備過多，則很可能會(huì)干擾處理器自身的工作，特別是當(dāng)信號(hào)通過一個(gè)插槽時(shí)。于是VESA標(biāo)準(zhǔn)中建議在33MHz頻率上只使用2個(gè)插槽，或者在總線使用電子緩沖時(shí)使用3個(gè).在更高的頻率上不能連接2個(gè)以上的設(shè)備，而在50MHz時(shí)它們則必須都內(nèi)建于主板內(nèi).由于VESA與處理器同步工作，因而隨著處理器頻率的提高，VESA總線類型的外圍設(shè)備工作頻率也得隨著提高,但是外圍設(shè)備要求的速度越高，其造價(jià)也就更高,對(duì)外圍設(shè)備的生產(chǎn)成本控制造成了極大的不利。因此，VESA只能工作在40

6、MHz以內(nèi)的頻率上。當(dāng)時(shí)與VESA競(jìng)爭(zhēng)的PCI總線技術(shù)，相對(duì)VESA來說優(yōu)勢(shì)非常明顯，因?yàn)樗且环N中間性的總線，獨(dú)立于CPU,但又與主內(nèi)存相連.同時(shí)PCI總線能夠與處理器異步運(yùn)行，額定頻率為25MHz、30MHz和33MHz。當(dāng)處理器的頻率增加時(shí)，PCI總線頻率仍然能夠保持不變。PCI允許的最大插槽數(shù)或外部設(shè)備數(shù)為5個(gè)或者更多，而且還不必考慮總線速度、緩沖或其它電器問題的限制.其它的特點(diǎn)則使得設(shè)備的使用更加簡(jiǎn)便.即插即用功能讓系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行外圍設(shè)備的設(shè)置,而不必再手動(dòng)設(shè)置IRQ跳腳、DMA和IO地址.它還允許IRQ共享，有自己的中斷系統(tǒng)。最后，PCI總線上的數(shù)據(jù)傳輸是不經(jīng)過CPU，而直接處理，這

7、樣降低了潛伏期和處理器的使用率。PCI總線的真正應(yīng)用是隨著Intel的Pentium處理器的誕生而開始的，由于在當(dāng)時(shí)與其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手VESA相比優(yōu)勢(shì)非常明顯,使其很快在1994年成為這場(chǎng)總線之爭(zhēng)的勝利者并統(tǒng)一了標(biāo)準(zhǔn),從此以后，幾乎所有的外圍設(shè)備,從硬盤控制器、聲卡到網(wǎng)卡和顯卡，都使用PCI插槽。二、PCI Express總線的提出因?yàn)镻CI Express總線技術(shù)的提出是基于現(xiàn)行PCI總線技術(shù)的諸多不足而開始的，所以在此先分析研究一下現(xiàn)行PCI總線存在哪些不足之處。PCI總線技術(shù)自上世紀(jì)90年代初期開始至今已為我們服務(wù)了10年有余.在這10多年中它的發(fā)展步伐相對(duì)來說是緩慢的，總的來說PC總線是每3

8、年性能提高一倍，從最初的8位PC/XT、16位的ISA總線、32位的EISA和MCA、VL總線到PCI、64位PCI-/66MHz、PCIX，而處理器卻通常是每個(gè)摩爾周期性能就要提高一倍(一個(gè)摩爾周期為18個(gè)月）.正是這種技術(shù)發(fā)展上的不同步，使得PCI總線慢慢成為了整個(gè)系統(tǒng)的瓶頸。雖然PCI總線技術(shù)至今仍是主流，但實(shí)際上就其本質(zhì)來說它早在幾年前就顯得力不從心了。高性能的圖形芯片在5年前就第一個(gè)從PCI總線中分離出來，形成單獨(dú)一種總線技術(shù),那就是AGP（圖形加速處理）。到了1997年，PCI總線已經(jīng)成為了圖像數(shù)據(jù)傳輸最大的瓶頸，于是,在Intel的440LX芯片組中，AGP(圖形加速接口)出現(xiàn)了

9、，目的有兩個(gè)：提升顯卡的性能和將圖像數(shù)據(jù)從PCI總線中獨(dú)立出來，PCI被解放出來供其它設(shè)備使用。同時(shí)隨著RAID陣列，千兆以太網(wǎng)和其他高帶寬設(shè)備在消費(fèi)級(jí)系統(tǒng)上的出現(xiàn)，PCI 133MB/s的帶寬明顯不能滿足這些應(yīng)用的需要了。芯片組制造商們已經(jīng)預(yù)見到這種限制所帶來的問題，并且對(duì)主板芯片組作了一系列改進(jìn)以減輕PCI總線的負(fù)擔(dān)。在舊式的芯片組，如Intel的440系列中，只使用一條PCI總線來連接北橋芯片和南橋芯片，這條PCI總線不僅要應(yīng)對(duì)南北橋之間的通信，還有普通的PCI設(shè)備、IDE、各種I/O（串口、并口、PS/2)和USB設(shè)備的通信.為了改善這種情況，Intel、VIA和SiS用新型的高速連接

10、方式取代了南北橋之間的PCI總線，然后讓IDE、各種I/O和USB分別使用專用連接方式連接到南橋芯片。如Intel自800系列芯片組開始采用HubLink連接技術(shù)，AMD的芯片組之間采用HyperTransfor技術(shù)代替原來一直采用的133MB/s PCI總線.VIA和SiS芯片組南北橋之間分別采用各自的Via-Link和MuTIOL芯片連接技術(shù)。如圖1所示的就是目前的一種典型的主板芯片架構(gòu)，從這個(gè)架構(gòu)圖中我們可以十分清楚地看出各種I/O子系統(tǒng)之間幾乎都采用不同的總線技術(shù)在連接。 在90年代后期,在服務(wù)器和工作站中的高速磁盤和網(wǎng)絡(luò)適配器開始向66MHz/64位的PCI總線轉(zhuǎn)移，于是又形成了PC

11、I-X新總線標(biāo)準(zhǔn)，不久PCI-X 2.0標(biāo)準(zhǔn)也出現(xiàn)了。接下來在系統(tǒng)內(nèi)部南、北橋芯片之間的總線技術(shù)也開始繞過PCI采用其它總線技術(shù)，在外設(shè)接口方面更是早已不再采用PCI總線,在芯片組南橋中都基本集成了EIDE、USB和10/100MB/s以太網(wǎng)接口.所以,今天我們的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)無論是在計(jì)算機(jī)內(nèi)部，還是在外部，各自為政的總線技術(shù)混在一起，統(tǒng)一總線標(biāo)準(zhǔn)和提高總線帶寬已是當(dāng)務(wù)之急。并行PCI總線主要受到以下幾方面的性能限制：它的數(shù)據(jù)傳輸速度只有133MB/s，根本不能滿足現(xiàn)在復(fù)雜多媒體數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)男枨?另外它不能隨著主頻的提高或者電壓的降低而靈活調(diào)整傳輸速;它的同步時(shí)鐘數(shù)據(jù)傳輸受單一上升沿限制，而信號(hào)

12、路由規(guī)則又受到經(jīng)濟(jì)的FR4技術(shù)（注:FR4是一種板材技術(shù)）的制約，接口引腳過多,不利于將來發(fā)展.所有這些限制都促使建立一個(gè)更高帶寬、通用的I/O總線。今天，軟件應(yīng)用越來越依靠硬件平臺(tái)，特別是I/O子系統(tǒng)。各種不同的音、視頻數(shù)據(jù)流應(yīng)用在桌面和筆記本電腦來臺(tái)中應(yīng)用已非常普遍,但是在目前來說帶寬仍是制約其應(yīng)用的主要因素，仍未有一個(gè)完全的解決方案，無論是PCI2。2，還是PCI-X.在服務(wù)器中，實(shí)時(shí)音、視頻應(yīng)用在服務(wù)器中也受到嚴(yán)重限制。許多通信應(yīng)用和高級(jí)PC控制系統(tǒng)同樣需要實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)。今天的桌面PC平臺(tái)中,都必須面對(duì)在同一時(shí)刻處理來自不同連接的并發(fā)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶魬?zhàn)。盡管許多用戶對(duì)他們現(xiàn)有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在郵件

13、收發(fā)、文檔處理、電子表格制作、更多的互聯(lián)網(wǎng)和商業(yè)應(yīng)用等諸方面都表示非常滿意,但隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，仍然有許多當(dāng)前和潛在的任務(wù)需要更快的處理器、圖形處理、網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)子系統(tǒng)，而這些要求最終的結(jié)果就是在這些子系統(tǒng)之間需要更快的連接。如我們的計(jì)算機(jī)正日益成為家庭數(shù)碼中心，執(zhí)行許多復(fù)雜的內(nèi)容制作和數(shù)據(jù)操作任務(wù)，包括視頻編輯和編碼、圖像合成處理。高清晰度電視編碼、24位/96KHz采樣頻率的多聲道單頻的捕獲和回放，和一些實(shí)時(shí)3D游戲。還有如真實(shí)聲音識(shí)別和同步、強(qiáng)大而又精確的生物測(cè)定，和先進(jìn)的加密技術(shù)。高端PC和工作站將被用來處理更多科學(xué)計(jì)算和工程計(jì)算，高質(zhì)量的3D動(dòng)畫影片制作和編譯，先進(jìn)的金融體

14、系,和許多其它復(fù)雜工程。文檔為個(gè)人收集整理，來源于網(wǎng)絡(luò)文檔為個(gè)人收集整理，來源于網(wǎng)絡(luò)正是基于PCI以上這些種種不足和計(jì)算機(jī)的應(yīng)用需求,Intel提出了替代PCI總線的新總線技術(shù)PCI Express。在2001年春節(jié)的Intel開發(fā)者大會(huì)上,Intel展示在將用來替代PCI總線和各種不同內(nèi)部芯片連接的第三代I/O總線技術(shù),當(dāng)時(shí)Intel稱之為”3GIO",意為"第三代I/O標(biāo)準(zhǔn)".根據(jù)Intel的說明,這個(gè)3GIO技術(shù)落后標(biāo)準(zhǔn)將成為下一個(gè)10標(biāo)準(zhǔn)，它可工作于各種不同的物理媒介上,從通用的銅線連接到光纖連接.三、PCI Express技術(shù)優(yōu)勢(shì)PCI Express之

15、所以能迅速得到業(yè)界的承認(rèn)，并且被大家公認(rèn)為下一代10年總線標(biāo)準(zhǔn)，它具有鮮明的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，它可以全面解決PCI總線技術(shù)所面臨的種種問題.有專家預(yù)計(jì)，PCI Express的設(shè)計(jì)不只要取代PCI及AGP的插槽，同時(shí)也會(huì)是一些電腦內(nèi)部系統(tǒng)連接接口,如處理器、繪圖、網(wǎng)絡(luò)及磁盤的I/O子系統(tǒng)芯片間的連接.下面就來具體介紹這個(gè)新總線技術(shù)有哪些關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)勢(shì)：·在兩個(gè)設(shè)備之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)串行互聯(lián)(兩個(gè)芯片之間使用接口連線;設(shè)備之間使用數(shù)據(jù)電纜；而PCI Express接口的擴(kuò)展卡之間使用連接插槽進(jìn)行連接)；與PCI所有設(shè)備共享同一條總線資源不同,PCI Express總線采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)技術(shù)，能夠?yàn)槊恳粔K設(shè)備分配

16、獨(dú)享通道帶寬，不需要在設(shè)備之間共享資源,這樣充分保障了各設(shè)備的寬帶資源，提高數(shù)據(jù)傳輸速率；·雙通道，高帶寬,傳輸速度快，在數(shù)據(jù)傳輸模式上，PCI Express總線采用獨(dú)特的雙通道傳輸模式，類似于全雙工模式，大大提高了數(shù)據(jù)輿速度。在傳輸速度上，1。0版本的PCI Express將從每個(gè)信道單方向2.5Gbps的傳輸速率起步,而它在物理層上提供的132速可選信道帶寬特性更使其可以輕松實(shí)現(xiàn)近乎”無限”的擴(kuò)展傳輸能力。·靈活擴(kuò)展性、與PCI不同，PCI Express總線能夠延伸到系統(tǒng)之外，采用專用線纜可將各種外設(shè)直接與系統(tǒng)內(nèi)的PCI Express總線連接在一起。這樣可以允許開

17、發(fā)商生產(chǎn)出能夠與主系統(tǒng)脫離的高性能的存儲(chǔ)控制器，不必再擔(dān)心由于改用FireWire或USB等其它接口技術(shù)而使存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能受到影響。·低電源消耗，并有電源管理功能這主得益于PCI Express總線采用比PCI總線少得多的物理結(jié)構(gòu)，如單x1帶寬模式只需4線即可實(shí)現(xiàn)調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)際上是每個(gè)通道只需4根線，發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的信號(hào)線各一根,另外各一根獨(dú)立的地線。當(dāng)然實(shí)際上在單通道PCI Express總線接口插槽中并不是4針引腳,而是18針,這其余的14針都是通過4根芯線想互組合得到的.由于減少了數(shù)據(jù)傳輸芯線數(shù)量，所以它的電源消耗也就大降低了。·支持設(shè)備熱撥插和熱交換PCI Ex

18、press總線接口插槽中含有"熱撥插檢測(cè)信號(hào)”，所以可以像USB、IEEE 1394總線那樣進(jìn)行熱撥插和熱交換。·支持QoS鏈接配置和公證策略·支持同步數(shù)據(jù)傳輸PCI Express總線設(shè)備可以通過主機(jī)橋接器芯片進(jìn)行基于主機(jī)的傳輸，也可以通過交換器進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸;·具有數(shù)據(jù)包和層協(xié)議架構(gòu)它采用類似于網(wǎng)絡(luò)通信中的OSI分層模式，各層使用專門的協(xié)議架構(gòu)，所以可以很方便地在其它領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。·每個(gè)物理鏈接含有多點(diǎn)虛擬通道類似于InfiniBand,PCI Express總線技術(shù)在每一個(gè)物理通道中也支持多點(diǎn)虛擬通道,理論上來講每一個(gè)單物理通道中可以

19、允許有8條虛擬通道通道進(jìn)行獨(dú)立通信控制，而且每個(gè)通信的數(shù)據(jù)包都定義不同的QoS。正因如此，它與外設(shè)之間的連接就可以得到非常的數(shù)據(jù)傳輸速率。·可保持端對(duì)端和鏈接級(jí)數(shù)據(jù)完整性這是得益于PCI Express總線的分層架構(gòu)，具體將在下篇介紹。·具有錯(cuò)誤處理和先進(jìn)的錯(cuò)誤報(bào)告功能這也是得益于PCI Express總線的分層架構(gòu)，它具有軟件層，軟件層的主要功能就是進(jìn)行錯(cuò)誤處理和提供錯(cuò)誤報(bào)告，具體將在下篇介紹.·使用小型連接,節(jié)約空間，減少串?dāng)nPCI Express技術(shù)不需要像PCI總線那樣在主板上布大量的數(shù)據(jù)線（PCI使用32或64條平行線傳輸數(shù)據(jù)），與PCI相比,PCI E

20、xpress總線的導(dǎo)線數(shù)量減少了將近75(PCI Express總線也會(huì)有好幾種版本的），速度會(huì)加快而且數(shù)據(jù)不需要同步。同時(shí)因?yàn)橹靼迳献呔€少了，從而可以使通過增加走線數(shù)量提升總線寬度的方法就更容易實(shí)現(xiàn)，同時(shí)各走線之間的間隔就可以更寬，減少了相互之間的串?dāng)_.·在軟件層保持與PCI兼容跨平臺(tái)兼容是PCI Express總線非常重要的一個(gè)特點(diǎn).目前被廣泛采用的PCI 2。2設(shè)備可以在這一新標(biāo)準(zhǔn)提供的低帶寬模式下運(yùn)行，不會(huì)出現(xiàn)類似PCI插卡無法在ISA或者VLB插槽上使用的問題，從而為廣大用戶提供了一個(gè)平滑的升級(jí)平臺(tái)。同時(shí)由IBM創(chuàng)導(dǎo)的PCI-X接口標(biāo)準(zhǔn)在PCI Express標(biāo)準(zhǔn)中也得到了

21、兼容,但要注意的是它不兼容目前的AGP接口。鑒于如此眾多的優(yōu)勢(shì),大家都認(rèn)為PCI Express將成為今后10年內(nèi)的主要內(nèi)部總線連接標(biāo)準(zhǔn)，它不但將被用在臺(tái)式機(jī)、筆記本電腦以及服務(wù)器平臺(tái)上,甚至?xí)^續(xù)延伸到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的內(nèi)部連接設(shè)計(jì)中。四、PCI Express總線的前景PCIExpress體系結(jié)構(gòu)符合第三代I/O總線的所有需求。PCIExpress的不同就在于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的串行連接，可以使用更少的數(shù)據(jù)線提供更高的連接速度。它可以為任何帶寬需求的應(yīng)用以每針100MB/s的速度進(jìn)行傳輸。它的先進(jìn)特征的自由縮放性能將及成為統(tǒng)一的I/O方案而全面進(jìn)入臺(tái)式機(jī)、筆記本電腦、服務(wù)器、通信、工作站的內(nèi)置設(shè)備等領(lǐng)域.PC

22、IExpress連接是執(zhí)行多通道、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接的，而多通道可以用來建立I/O之間的互聯(lián)，而使帶寬得到成倍地增加。這種I/O之間的互聯(lián)可以使系統(tǒng)之間的發(fā)割變得非常容易,其成本與當(dāng)前工作PCI架構(gòu)相當(dāng)，甚至更少。并且PCI-Express與現(xiàn)在的PCI軟件保持兼容，這樣有利于在將來的系統(tǒng)中得到綜合。隨著PCI-SIG頒發(fā)PCI Express 1.0以來,幾乎沒有誰會(huì)再懷疑PCI Express將是下一代總線標(biāo)準(zhǔn)。不僅原有的PCI、AGP總線擁戴者如此,就連許多各種不同的系統(tǒng)內(nèi)部總線開發(fā)者，如AMD、VIA、SIS、ATi、nVIDIA等都無不提出對(duì)PCI Express的支持,紛紛想把自己的總線技

23、術(shù)加入到CPI Express技術(shù)之中，尤其是Intel的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手AMD。由此看來,PCI Express總線將一統(tǒng)天下的局面似乎沒有什么障礙，但實(shí)際上至少在目前為止還遠(yuǎn)不是說這話的時(shí)候，特別是在服務(wù)器和工作站中，因?yàn)樵谄渲性缫延邢馡nfiniband和PCI-X總線技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用。還有如RapdIO和Intel自己的超線程技術(shù)等。正如PCI Express工作小組Arapahoe所說的那樣，以上所說的這些解決方案面向的目標(biāo)與PCI Express總線不同。RapidIO和超線程技術(shù)是針對(duì)那些特殊的應(yīng)用，而PCI Express則是為一般應(yīng)用所設(shè)計(jì)的。PCI Express取代超線程技術(shù)而

24、作為處理器之間接口的可能性也幾乎是不存在的，因?yàn)镻CI Express缺乏高速緩存一致性協(xié)議，在同步時(shí)鐘周期內(nèi)高于并行接口的潛伏期也使它不適于此類應(yīng)用.所以，AMD和nVidia沒什么可害怕的，Intel也不會(huì)用它來取代P4總線，因?yàn)橐粋€(gè)開放的PCI Express標(biāo)準(zhǔn)意味著Intel無法再為P4總線授權(quán)問題而起訴其他第三方芯片組廠商.但是PCI Express仍有著巨大的發(fā)展?jié)摿?，它在一般用途的定位使其在靈活性方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，而且這確保了它有著廣闊的應(yīng)用前景.由于有著許多改變,所以從PCI到PCI Express的轉(zhuǎn)變不會(huì)在一夜之間完成.ISA插槽掙扎了近10年才最后被PCI總線全面取代

25、而消失，所以不要認(rèn)為你的PCI設(shè)備已經(jīng)落伍了.PCI Express底板1。0a規(guī)范和板卡電氣1。0a規(guī)范都已經(jīng)發(fā)布了,但我們要等到2004年才能看到真正的PCI Express產(chǎn)品，在桌面機(jī)和服務(wù)器中全面采用PCI Express接口的設(shè)備更不是近兩、三年可以出現(xiàn)的?；蛟S最開始是nVidia和ATi的顯卡產(chǎn)品以及基于Grantsdale芯片組的Intel主板。在服務(wù)器終端市場(chǎng)，Intel想要通過Lindenhurst和Twin Castle芯片組來引進(jìn)PCI Express。由于各種新的因素和富有前途的性能表現(xiàn)，PCI Express的未來看上去充滿希望.精解PCI Express之-系統(tǒng)架

26、構(gòu)篇在上一篇我們了解了PCI Express總線的產(chǎn)生和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但要真正理解PCI Express總線技術(shù)的優(yōu)越性還得從其結(jié)構(gòu)本身說起,所以本篇就要全面介紹PCI Express總線的結(jié)構(gòu).一、總體系統(tǒng)架構(gòu)在正式了解PCI Express串行鏈接物理和邏輯結(jié)構(gòu)前,先來看一下PCI Express系統(tǒng)架構(gòu)的方框圖.你可以看到PCI Express連接器已被移植到系統(tǒng)中的各個(gè)不同部分，為將來的高速設(shè)備提供連接點(diǎn)。PCI Express的基本結(jié)構(gòu)包括根組件（Root Complex）、交換器（Switch）和各種終端設(shè)備（Endpoint）.根組件可以集成在北橋芯片中,用于處理器和內(nèi)存子系統(tǒng)與I/

27、O設(shè)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(xiàn)有PCI兼容。當(dāng)然，像PCI ExpressPCI的橋設(shè)備也可能存在.在PCI Express架構(gòu)中的新設(shè)備是交換器(Switch),它取代了現(xiàn)有架構(gòu)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(shè)備間進(jìn)行對(duì)等通信。下圖1就是PCI Express 1。0的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。文檔為個(gè)人收集整理,來源于網(wǎng)絡(luò)個(gè)人收集整理，勿做商業(yè)用途  圖1 為了便于與現(xiàn)行的PCI總線結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效對(duì)比,現(xiàn)把兩種總線的桌面系統(tǒng)架構(gòu)并列于下圖2中。圖2

28、 在圖中現(xiàn)有的PCI架構(gòu)中，用于顯卡的接口為AGP，而新的PCI Express架構(gòu)中以PCI Express取代了,現(xiàn)有CPI架構(gòu)I/O橋接器中的PCI/PCIX橋接器在PCI Express架構(gòu)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(shè)備連接，當(dāng)然為了保持與現(xiàn)有PCI兼容，在第一版PCI Express架構(gòu)中仍保留CPI接口。 PCI Express總線技術(shù)將全面應(yīng)用于桌面/移動(dòng)和服務(wù)器系統(tǒng)中，但各自的體系結(jié)構(gòu)不完全相同,如圖3左圖所示的是桌面機(jī)和移動(dòng)筆記本電腦中使用PCI Express總線的系統(tǒng)架構(gòu),而圖3右圖所示的是服務(wù)器和工作站中使用PCI

29、 Express總線的系統(tǒng)架構(gòu)。除此之外，在網(wǎng)絡(luò)中同樣可以以使用PCI Express總線技術(shù)進(jìn)行通信，結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。圖3 從圖3中的兩個(gè)應(yīng)用架構(gòu)比較可以看出，PCI Express總線技術(shù)在服務(wù)器和工作站中的應(yīng)用更為徹底，在服務(wù)器/工作站中除了內(nèi)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(jī)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(wǎng)卡，至于硬盤和外設(shè)接口都仍是采用相應(yīng)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(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用也是非常徹底的，除了內(nèi)存子系統(tǒng)外，幾乎所有的外設(shè)及內(nèi)置板卡都是直接

30、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(wù)器、工作站和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備得到徹底應(yīng)用,在桌面機(jī)中主要以先取代AGP和部分PCI接口開始。二、PCI Express的體系結(jié)構(gòu)PCI Express體系結(jié)構(gòu)采用分層設(shè)計(jì)，就像網(wǎng)絡(luò)通信中的七層OSI結(jié)構(gòu)一樣，這樣利于跨平臺(tái)的應(yīng)用。PCI-Express體系結(jié)構(gòu)如圖5所示。它共分為四層，從下到上分別為：物理層（Physical Layer）、數(shù)據(jù)鏈路層（Link Layer）、處理層(Transaction Layer）和軟件層(Software Layer）。圖中的“S/W”和“Confi

31、g/OS”均屬于軟件層。PCI Express的體系結(jié)構(gòu)兼容于PCI地址結(jié)構(gòu)模式,使得所有已有應(yīng)用和驅(qū)動(dòng)程序均不需作任何修改即可應(yīng)用到新總線系統(tǒng)中。PCI-Express配置使用標(biāo)準(zhǔn)的PCI即插即用規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)。下面對(duì)以上各層分別進(jìn)行具體介紹。個(gè)人收集整理，勿做商業(yè)用途本文為互聯(lián)網(wǎng)收集，請(qǐng)勿用作商業(yè)用途  圖51. 物理層（Physical Layer）物理層是最低層，它負(fù)責(zé)接口或者設(shè)備之間的鏈接，是物理接口之間的連接，可對(duì)應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)中OSI七層模式中的物理層來理解。物理層決定了PCI Express總線接口的物理特性，如點(diǎn)對(duì)點(diǎn)串行連接、微差分信號(hào)驅(qū)動(dòng)、熱撥插、可配置帶寬等。初始的單一串行

32、PCI Express鏈接包含兩個(gè)低電壓微分驅(qū)動(dòng)信號(hào)對(duì)（4線的接收和發(fā)送對(duì)）的雙向連接,即“發(fā)送”和“接受”信號(hào).數(shù)據(jù)時(shí)鐘使用8/10b解碼方式來達(dá)到相當(dāng)高的數(shù)據(jù)速率（這一技術(shù)同時(shí)也在其它串行總線技術(shù)中,如InfiniBand和RapidIO），時(shí)鐘信息直接被編碼成數(shù)據(jù)流，比起分離信號(hào)時(shí)鐘更好.微分信號(hào)受兩個(gè)不同方向的電壓驅(qū)動(dòng),初始PCI Express的鏈接信號(hào)發(fā)送速率為單線每個(gè)方向2.5GB/s，預(yù)計(jì)到2004年可達(dá)到5GB/s的信號(hào)傳輸速率，使用先進(jìn)的硅技術(shù)把數(shù)據(jù)傳輸速率提高到10GHz（達(dá)到銅線傳輸?shù)睦碚撋献畲笾担?。雙向連接允許數(shù)據(jù)在兩個(gè)方向上同時(shí)傳輸，類似于全雙工連接,如電話系統(tǒng)，但

33、是在雙向傳輸中,各自都有自己的地線，而不像雙工傳輸那樣采用公共地線，在雙向連接中可得到高速、更好質(zhì)量的傳輸信號(hào)。單線雙向信號(hào)線及傳輸流程如圖6所示。文檔為個(gè)人收集整理，來源于網(wǎng)絡(luò)文檔為個(gè)人收集整理，來源于網(wǎng)絡(luò)  圖6 在圖中的兩個(gè)紅色箭頭代表兩個(gè)不同的方向（發(fā)送和接收)的數(shù)據(jù)包，從圖中可以看出,單線數(shù)據(jù)傳輸每個(gè)方向只需2要芯線，即一根數(shù)據(jù)傳輸線,一根為地線。PCI Express鏈接可以配置為x1、x2、x4、x8、x12、x16和x32信道帶寬，x1帶寬的鏈接包含4條線，x16帶寬信道每個(gè)方向就有16個(gè)不同的信號(hào)對(duì)，或者64根信號(hào)芯線用于雙向數(shù)據(jù)傳輸；終極的x32帶寬信道每個(gè)方向可

34、以提供10GB/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，但是在采用8位/10位編碼方式的情況下,實(shí)際速率只可達(dá)8GB/s，留有20富余。PCI Express體系結(jié)構(gòu)可以通過速度的提高和先進(jìn)的編碼技術(shù)來升級(jí)，但這些速度的提高、編碼的改進(jìn)和媒介的改變均只影響物理層，所以對(duì)于整個(gè)PCI Express架構(gòu)來說升級(jí)是非常方便的。如圖7所示的是PCI Express總線數(shù)據(jù)流傳輸示意圖。圖的左邊顯示的是單信道情況下數(shù)據(jù)流的傳輸方式,因?yàn)镻CI Express屬于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)串行連接，所以在單信道情況下，數(shù)據(jù)流是一個(gè)字節(jié)一個(gè)字節(jié)地傳輸。在圖的右邊顯示的是多信道情況下PCI Express總線數(shù)據(jù)流的傳輸情況。因?yàn)橛卸嗤庑诺?所以數(shù)

35、據(jù)可以依次傳輸?shù)礁鱾€(gè)信道，加快了整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，提高了?shù)據(jù)傳輸效率，這有點(diǎn)類似于網(wǎng)絡(luò)中的磁盤陣列。個(gè)人收集整理,勿做商業(yè)用途個(gè)人收集整理，勿做商業(yè)用途不過在此要注意的一點(diǎn)是,連接的雙方信道配置要一致，不可不對(duì)稱配置，也就是說說兩個(gè)方向的信道數(shù)要相等。這主要是PCI Express接口在外設(shè)中的應(yīng)用情況下需要著重考慮的，在計(jì)算機(jī)內(nèi)部,通常兩上PCI Express設(shè)備之間不會(huì)有什么通信請(qǐng)求,如顯卡與網(wǎng)卡之間。有些工業(yè)分析家建議在第一代用于替代AGP總線的PCI Express圖形總線應(yīng)該采用非對(duì)稱設(shè)計(jì),來取代原有的16信道同步連接計(jì)劃，因?yàn)樗麄冋J(rèn)為從圖形卡向系統(tǒng)內(nèi)存?zhèn)鬏數(shù)臄?shù)據(jù)會(huì)更少些。圖7

36、在物理層的另一處重要方面就是中斷.PCI Express支持兩個(gè)類型的中斷,現(xiàn)行的PCI INTx (x= A, B, C, or D) 中斷被保留下來了，仍可在PCI Express總線中應(yīng)用。還有一個(gè)新的中斷類型，那就是MSI （Message Signaled Interrupt,信息信號(hào)中斷）,MSI中斷可以進(jìn)一步優(yōu)化PCI 。2/2.3設(shè)備.INTx中斷方式可以用信號(hào)方式中斷主機(jī)芯片請(qǐng)求，它可以與現(xiàn)行的PCI總線的驅(qū)動(dòng)程序和操作系統(tǒng)兼容。PCI Express設(shè)備必須支持INTx和MS兩種中斷模式，原有設(shè)備將壓縮INTx中斷信息在PCI Express處理信息中。MSI中斷是通過內(nèi)存

37、寫處理操作邊沿觸發(fā)和發(fā)送的。重新編寫驅(qū)動(dòng)程序?qū)τ贛SI邊沿觸發(fā)中斷是非常有利的,MSI方案在使用數(shù)據(jù)包協(xié)議通過串行鏈接中是一種行之有效的本地中斷方式。MSI在多處理器系統(tǒng)中任何設(shè)備都可以發(fā)送中斷，比起主機(jī)直接發(fā)送中斷更加有效，所以現(xiàn)在許多多處理器系統(tǒng)和I/O架構(gòu)都對(duì)MSI中斷技術(shù)提供支持。2. 數(shù)據(jù)鏈路層(Link Layer）數(shù)據(jù)鏈路層的主要職責(zé)就是確保數(shù)據(jù)包可靠、正確傳輸。它的任務(wù)是確保數(shù)據(jù)包的完整性，并在數(shù)據(jù)包中添加序列號(hào)和發(fā)送冗余校驗(yàn)碼到處理層。大多數(shù)數(shù)據(jù)包是由處理層發(fā)起的，基于信任，數(shù)據(jù)流控制協(xié)議確保數(shù)據(jù)包只在終端緩存空閑時(shí)傳輸.排隊(duì)了所有數(shù)據(jù)的重試,使得信道帶寬浪費(fèi)現(xiàn)象得到有效地約

38、束。但數(shù)據(jù)鏈路層在信號(hào)中斷時(shí)自動(dòng)重新傳輸數(shù)據(jù)包。傳輸過程如圖8所示。圖8 3. 處理層(Transaction Layer)處理層的作用主要是接受從軟件層送來的讀、寫請(qǐng)求，并且建立一個(gè)請(qǐng)求包傳輸?shù)芥溄訉?。所有?qǐng)求都是分離執(zhí)行,有些請(qǐng)示包將需要一個(gè)響應(yīng)包。處理層同時(shí)接受從鏈路層傳來的響應(yīng)包，并與原始的軟件請(qǐng)求關(guān)聯(lián)。處理層還整合或者拆分處理級(jí)數(shù)據(jù)包來發(fā)送請(qǐng)求，如數(shù)據(jù)讀、寫請(qǐng)求，并且操縱鏈接配置和信號(hào)控制.以確保端到端連接通信正確,沒有無效數(shù)據(jù)通過整個(gè)組織（包括源設(shè)備和目標(biāo)設(shè)備，甚至包括可能通過的多個(gè)橋接器和交換器）。在PCI Express總線技術(shù)中，數(shù)據(jù)包類型主要有兩種，那就是由處理層發(fā)起的“處

39、理層數(shù)據(jù)包"（Transaction Layer Packet，TLP）和“數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)包"(Data Link Layer Packet，DLLP）。每個(gè)數(shù)據(jù)包都有一個(gè)可以使響應(yīng)包定向于正確發(fā)起者的唯一標(biāo)識(shí)符，包的格式支持32位內(nèi)存地址和擴(kuò)展64位內(nèi)存地址。包同時(shí)還有如“非窺探”、“無嚴(yán)格排序”和“優(yōu)先權(quán)”等屬性，這些屬性將應(yīng)用于優(yōu)化路由I/O子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包.處理層包括4個(gè)地址空間，其中3個(gè)是PCI接口原有的，如內(nèi)存、I/O和配置地址空間，另一外新PCI-Express接口新加的，它就是“信息空間”。PCI2。2標(biāo)準(zhǔn)中介紹不斷變化的系統(tǒng)中斷宣傳的方法稱之為“信息信號(hào)中斷"（Message Signaled Interrupt，MSI）。這里特殊規(guī)格格式的內(nèi)存寫事物代替無邊信號(hào)硬寫，如中斷、電源管理請(qǐng)求、復(fù)位等等有關(guān)信息方面。另一個(gè)PCI2.2標(biāo)準(zhǔn)的特殊循環(huán)，如中斷響應(yīng)也屬于信息執(zhí)行范疇。你可以把PCI-Express信息稱之為“虛擬線