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PCI-Express总线简析

作者:时间:2016-12-15来源:网络收藏
背景

PCI Express是一个计算机系统总线的名称,不过大家听得最多的还是“接口”这个词。PCI Express的确是下一代的总线接口,而采用此类接口的产品,多为显卡,而PCI-E接口的显卡,也已在2004年正式面世。早在2001年的春季“英特尔开发者论坛”(IDF2001)上,英特尔公司就提出了要用新一代的技术取代PCI总线和多种芯片的内部连接,并称之为第三代I/O总线技术。随后在2001年底,包括Intel、AMD、DELL、IBM在内的20多家业界主导公司开始起草新技术的规范,并在2002年完成,对其正式命名为PCI Express。看来,新技术也并不是一促而僦的,它也需要长期的准备,这样,才会让它一面世便拥有相当的成熟度。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201612/330160.htm

特点

1、点对点连接方式
  和传统的PCI总线相比,PCI Express在工作方式上有了根本的革新——采用点对点总线连接方式。我们知道传统的PCI总线是以独占带宽的方式进行工作的,任何一个时间PCI总线上只能有一个设备进行通讯,一旦PCI总线上设备增多,总线控制权争用的问题就会严重制约PCI设备性能的发挥。PCI Express总线采用了点对点的连接方式,每个设备在要求传输数据的时候各自建立自己的传输通道,对于其他设备这个通道是封闭的,各个通道互不干扰,数据传输的效率因此大为提高。
2、串行的传输方式
  PCI Express的数据传输为串行方式,使用“电压差动式信号传输”,即是两条线路,以相互间的电压差作为逻辑“0”“1”的表示。每两条线路组成一个通路(Lane),每个通路的理论传送速率为2.5Gbit/s,实际中可以有两个传送通路,分为上行和下行,这样PCI Express就可以工作在双工状态下,能提供更高的传输速率和质量。
3、高速率传输
  PCI Express分为x1、x2、x4、x8、x16和x32几种形式。形状上看x1最短,越往上则越长。它们是向下兼容的。PCI Express x16单通道就具有5GB/s(2.5Gb×16/8=5GB/s)带宽,不过由于采用8b/10b编码,事实上的有效带宽为4GB/s(扣除20%的植入时钟信号)。同理,替代现行PCI插槽的“PCI Express x1”单通道应该具有250MB/s的带宽,而传统PCI总线的带宽为133MB/s。PCI-Express的高带宽,能实现更高的数据吞吐能力。

注:x1表示有1条数据通道,x2表示有2条数据通道,x4表示有4条数据通道,依此类推。
4、热插拔的支持(须主板支持)
  PCI Express总线数据传输距离长达3m,使得各硬件子系统完全可在空间上彼此分开,只用线缆连接。它支持热插拔功能,可对所有的接入设备进行实时监控,这样硬件厂商可设计出形状和大小都符合模块化要求的部件,用户需要扩充和升级硬件时,只需要把旧的拔掉,新的插上就可以了,不用关机。
5、良好兼容性
  另外PCI Express总线还在软件级别上兼容PCI规范,不需要更新操作系统和BIOS,即可使用。未来采用PCI Express总线的主板仍可支持PCI插槽,各种PCI接口的扩展卡可以低带宽模式正常运行。这就为PCI Express的迅速普及提供了基础,不需面对等待软件的尴尬。

总体系统架构

1、PCI Express基本结构

PCI Express的基本结构包括根组件(Root Complex)、交换器(Switch)和各种终端设备(Endpoint)。根组件可以集成在北桥芯片中,用于处理器和内存子系统与I/O设备之间的连接,而交换器的功能通常是以软件形式提供的,它包括两个或更多的逻辑PCI到PCI的连接桥(PCI-PCI Bridge),以保持与现有PCI兼容。当然,像PCI Express-PCI的桥设备也可能存在。在PCI Express架构中的新设备是交换器(Switch),它取代了现有架构中的I/O桥接器,用来为I/O总线提供输出端。交换器支持在不同终端设备间进行对等通信。下图1就是PCI Express 1.0的拓扑结构图。

图-1

2、PCI与PCI Express总线结构比较

为了便于与现行的PCI总线结构进行有效对比,现把两种总线的桌面系统架构并列于下图2中。

图-2

在图中现有的PCI架构中,用于显卡的接口为AGP,而新的PCI Express架构中以PCI Express取代了,现有PCI架构I/O桥接器中的PCI/PCI-X桥接器在PCI Express架构中全部以Switch交换器取代,增加了一些PCI Express总线接口用于与终端设备连接,当然为了保持与现有PCI兼容,在第一版PCI Express架构中仍保留PCI接口。

3、桌面、移动和服务器系统中PCI Express总线技术的应用

PCI Express总线技术将全面应用于桌面、移动和服务器系统中,但各自的体系结构不完全相同,如图3左图所示的是桌面机和移动笔记本电脑中使用PCI Express总线的系统架构,而图3右图所示的是服务器和工作站中使用PCI Express总线的系统架构。除此之外,在网络中同样可以以使用PCI Express总线技术进行通信,结构图如图4所示。

图-3

从图3中的两个应用架构比较可以看出,PCI Express总线技术在服务器和工作站中的应用更为彻底,在服务器/工作站中除了内存子系统与芯片组之间的通信外,其它都是采用PCI Express总线来与芯片连接的,而在桌面机中在目前来说还主要是取代显卡中的AGP总线和其它PCI板卡,如网卡,至于硬盘和外设接口都仍是采用相应的总线接口直接与芯片组连接。

图-4

从图中可以看出,PCI Express总线在网络中的应用也是非常彻底的,除了内存子系统外,几乎所有的外设及内置板卡都是直接或者间接通过PCI Express总线与芯片组连接的。
综上所述,目前来说PCI Express总线主要还是先从服务器、工作站和网络设备得到彻底应用,在桌面机中主要以先取代AGP和部分PCI接口开始。


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关键词: PCI-Express总线简

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