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PCI Express总线及其应用
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更新于2023-03-03
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PCI Express 物理串行连接特征 一个单独的基本的PCI Express 串行连接就是两个独立的通过不同的低电压对驱动信号 实现的连接,一个接受对和一个发送对(共四组线路)。一个微分信号在两个接口之间有电 压差来传递。第一代的PCI Express 连接信号传输速度为每对线单向2.5Gbit/s。2004 年可 以实现5Gbit/s 的速度。设计的关键是通过4 层PCB 技术和标准接口在设备间形成最大20 英寸的连接,如果采用了更高质量的元件,可以达到更远的距离。 一个双独立连接允许数据同时进行双向传输,类似与全双工连接,不过这里每一对线都 有自己的地线。这样也就可以实现更高的传输速度和更好的信号质量。在PCI 总线中,一个 初始化的设备必须首先从Central Arbiter(中心判优器)进入共享PCI 总线,然后才可以 通过PCI 总线将数据传输给目标设备,而且在任一时间只能实现单向传输
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PCI Express 总线及其应用
现在的处理器已经以数 GHz 衡量了,显卡的处理能力更是达到了前所未有的强大,硬盘
的转速也很快了,但是你发现计算机系统并没有因此而快多少。
虽然内存都达到了 512MB 甚至是 1024MB,但是我们反而在更多的时候看到硬盘灯狂闪
不止。
当然如果你有钱的话,可以不停的升级,比如使用最新的 3GHz 处理器、1024MB 内存和
4 个 Ultra320 SCSI 组成快速又安全的磁盘阵列来让你的机器在任何程序面前都无所顾忌。
如果你是个苛刻的游戏玩家或者对于声音有着特殊的偏执,那么拥有一款硬件级的声效
处理器也是比不可少的。这样你的计算机就站在了性能的顶峰了吗?不,当这样的机器用于
处理下一代的数据库时,依然会无力应对—因为这样的任务往往是多线程的、所以这个时候
就要求你的计算机具有多处理器、并行处理能力、双数据率、双通道 RAM 等。
如果你的机器真的已经成为了这个样子,你就已经有了一台性能极高的工作站,但是你
知道吗?你的机器依然使用着 486 时代的技术。 为什么会出现这样的情况呢?因为你的几
百个 GB 的硬盘、SCSI 通道、几百乃至 1GB 的 RAM 都要受制于 33MHz 的 PCI 总线。
PCI 就是 Peripheral Component Interconnect(外部设备互联总线)的简称,它是连
接所有扩展板卡、硬盘、光驱到系统的 I/O 接口,正是通过 PCI 总线的联系这些设备才能同
系统内存和处理器进行数据通讯。不过这种总线技术的服役期已经超过了 10 年了。
当然出现现在的这种情况也不能完全归咎于 PCI。PCI 技术自从推出以来表现一直相当
的出色,只是目前的硬件设备为了达到更高的速度都对于带宽具有非凡的要求,而 PCI 总线
这一个目前计算机那最最基础的总线标准却牢牢的禁锢着它们的发展。
正是因为它的这种基础的性质,使得其它的 I/O 总线都要在它的基础上开发,因为对于
整合行业来说如果 I/O 总线技术也如同处理器或者显卡那样的速度更新换代,无论是厂商还
是最终用户都会苦不堪言,而且对于整个业界乃至整个社会的发展都没有什么好处。
正是因为 PCI 总线技术是被设计为管理绝大多数外围设备的,所以它必须经的住时间的
考验。所以在 1990 年前 PCI 总线被设计的时候,它就被设计为一种要长期为计算机系统服
役的标准。当这种技术第一次在 486 和早期的 Pentium 主板上出现的时候,我们使用计算机
的方式就开始被这种总线标准改变了。
也正是 PCI 显卡的出现,使得显卡的处理速度极大的提高,也使得真正意义上的多媒体
电脑进入了我们的生活—虽然这个时候没有什么全屏抗锯齿等功能,但是从 256 色提升到真
彩色显示就是一个巨大的飞跃了。随后很多厂商都意识到了 PCI 技术的潜力和相对于 ISA
的优势,于是在随后的一两年中各种各样的 PCI 设备应运而生。
经过了多年的发展,越来越多的设备已经彻底的摒弃了老的 ISA/EISA 平台而投入到了
更快的 PCI 平台。网络速度的提升和存储设备速度的提高也使得这种转变成为了必要。
新的继承者
现在已显得老迈的 PCI 是一个连接外部、内部设备的 I/O 总线,于 90 年代诞生,对于
现在越来越多、越来越快的 I/O 操作已经有些力不从心了。这在几年前就表现了出来。高性
能的显卡在五年前就让 PCI 总线显得苍白无力,于是出现了基于 PCI 技术的 AGP 总线。
在 90 年代末,服务器和工作站中的高速硬盘和网络适配器就转移到了 66Mz/64 位 PCI
总线上,现在更是用上了 PCI-X 和 PCI 2.0。目前南桥和北桥之间的互连也比 PCI 总线要快
的多,Intel 的 800 系列芯片组使用的就是 HubLink 互连。
目前的芯片组集成了 EIDE、USB(或是 USB 2.0)以及 10/100 网卡,而不再通过 PCI
总线。我们的系统机箱里实际上是一个互连的大杂烩。为了更大的带宽需求加上如今的 PCI
瓶颈,业界需要一个标准化的高速的 PCI 技术来取代老的。
电脑总线大约每隔 3 年在性能上提高一倍,从原先 8bit 的 PC/XT、16bit ISA 总线,到
32 位 EISA、MCA、VL 总线、PCI、PCI-64/66MHz,再到如见的 PCI-X 1.0 和 2.0。而处理器
的性能的提升则要快的多,差不多是每 9-10 个月性能提升一倍。这种发展的不均衡就造成
了 I/O 系统成为瓶颈,无法满足处理器、内存子系统的需要。
PCI 的继任者需要更高速的总线插槽,可以将芯片级的 I/O 部件加入系统。进一步,它
还需要通过高速互连可以将系统中不同的功能区连接起来。运算设备在未来可能以各种形状
和大小出现,目前甚至已经出现了分离式的系统设计。
举个例子,主板、处理器以及散热系统可以放置在一个独立的地方,存储设备则被另行
放置或是集成到 CRT/LCD 显示器中,而显示子系统也可以集成到显示器中(很可能作为可升
级单元出现)。 而且这一切都将在 PCI Express 总线所替代,这就是 3rd Generation I/O
(第三代输出输出总线技术)的正式官方名称,其未来将成为电脑内部互连技术的总称。
PCI Express 将替代 PCI 总线成为第三代输入输出总线技术
PCI Express 发展史
在 2001 年的 IDF 上,Intel 就推出了旨在取代 PCI 总线连接内部芯片的第三代 I/O 技
术,也就是 3GIO。根据 Intel 的说法,3GIO 技术将会在下面 20 年中与我们相伴,可以和不
同的物理介质配合。当时曾有人对 Intel 的这个发布活动表示怀疑,认为他们缺乏业界的支
持。
不过 Intel 在接下来证明了自己的实力:PCI-SIG 组织在 2001 年 8 月初认可了 Arapahne
标准(3GIO 的另一个名字)。Intel 的合作伙伴在那个时候已经有了康柏、Dell、IBM、微
软等巨头,业界的支持已经勿庸置疑。到了 8 月底,AMD 以及其他 21 家厂商也加入了这个
阵营,刚好在 Intel 的 IDF 前夕!
Intel 和 PCI-SIG 的实力使得 HyperTransport 技术的支持者 AMD 也加入了进来。早期,
Intel 认为 HyperTransport 功能不够多,无法满足未来的需要。AMD 很快就澄清了这一点,
向大家表明 HyperTransport 和 3GIO 可以在一个系统中共存,并很快公布了 HyperTransport
的远景发展计划,提供更丰富的功能、更高的速度。
到了 2002 年 4 月,PCI-SGI 和 Arapahoe 工作组完成了 3GIO 规范草稿,并正式将其改名为
PCI Express。有人认为这个名字太接近于 PCI-X 1.0/2.0(服务器、工作站用的连接方式),
不过 PCI-SIG 并不认为这是个大问题。
在 2002 年 7 月 23 日,PCI-SIG 正式公布了 PCI Express 规范 1.0 版以及相应的 PCI
Express 卡电气规范,对于非 PCI-SIG 成员而言,定价为 475 美元。
采用 PCI Express 的芯片组和显卡在 2003 年末已经问世,到今年中期正式销售,也就
是说第三代总线技术真的离我们很近了。
PCI Express:新型总线
PCI Express 从名称上来看似乎同 PCI 有着很大的关系,但实际上这并不是 PCI 技术的
延续(不是新的具有更高带宽的 PCI 技术,也更不是一个驱动程序或者一个升级补丁),就
如同 PCI 取代 ISA 一样,PCI Express 的出现将会改写我们使用的计算机的架构。
同样真是看到了 PCI 总线所遇到的问题,Intel 努力修正设计从而希望 PCI Express 不
再遇到目前 PCI 所面临的尴尬。这种解决方案提供的是一个智能化的总线架构,它可以有效
的解决多个设备共享的问题—或者说让这个问题根本的消失。
目前的 PCI 总线技术主要面临以下的几个的问题:
最高带宽 133MB/s
工作频率只有 33MHz
IRQ 共享问题
主板铜布线工艺
设备数目限制
仅能在机箱内使用 PCI Express 的主要目标就是解决以上的所有问题,加入一些
用户向往已久的新功能。
PCI Express 主要可以为我们带来如下的新功能:
性能: PCI Express 总线只需要从芯片组中引出很少的引脚,所以使得主板布线难度大
大降低(其引线数目比现在的 PCI 总线减少大约 75%)但是却具有比现在的 PCI 高的多的
带宽和传输速度,另外在配置的灵活性方面 PCI Express 也优于 PCI。它可以根据所连接的
硬件设备的不同,使用不同频率的同其联系通讯。
多种连接方式:这是同 PCI 总线非常不同的地方, PCI Express 总线可以“走出机箱”。
也就是说 PCI Express 可以如同现在的 USB 或者 Firewire 一样通过计算机上的一定接口同
外部采用相应符合 PCI Express 标准接口的设备进行连接和通讯。
点对点总线:相对于 PCI 这种“总线式”的连接方式,一旦 PCI 总线有瓶颈现象发生,
将会影响所有连接其上的 PCI 设备。PCI Express 总线采用了点对点技术,这样每个 PCI
Express 设备都是直接同系统芯片进行交流,而不再存在带宽问题。
高级功能: PCI Express 可以使用多种不同的信号协议包括它本身的协议。它还具有高
级电源管理和监视功能,这样所有的 PCI Express 设备都会支持热插拔。在 PCI Express
中诸如内存纠错等功能都会成为标准功能。
跨平台的兼容性: PCI Express 最大的优点之一就是它的跨平台兼容性。现在的符合 PCI
2.3 规范的板卡将可以在低带宽的 PCI Express 插槽上使用。(软件级兼容 PCI)
PCI Express 高级系统架构
PCI Express 是由点对点的模式进行数据传输的,一个 PCI Express 的基本结构包括一
个 Root Complex(类似与芯片组的北桥芯片,连接 CPU/内存和 I/O 设备),Swithes(对于
软件系统而言,像是一个具有 2 个及以上逻辑 PCI 到 PCI 桥路,保持兼容性)以及不同的终
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莫子虚
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