PCI-Express总线简析

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。

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。