PCIe技术详解：从并行到串行的演变

本文主要介绍了PCIe（Peripheral Component Interconnect Express）的发展历程、基本原理以及其与前几代IO总线的区别，特别是PCIe在体系架构上的革新。 PCIe（PCI Express）是一种高速接口标准，用于连接计算机系统中的外部设备，如显卡、网卡、硬盘等。它是在传统PCI（Peripheral Component Interconnect）基础上发展起来的，具有更高的数据传输速率和更低的延迟。 **第一代IO总线：ISA、EISA、MC、VESA** 这些总线都是并行总线，其中ISA（Industry Standard Architecture）于1984年推出，数据宽度为16位，数据传输率为5MBps；EISA（Extended Industry Standard Architecture）在1989年推出，提升到了32位和33MBps的速率；MC（Micro Channel Architecture）作为IBM的一种微通道总线，性能与EISA相当，而VESA（Video Electronics Standards Association）的局部总线在1992年推出，数据宽度为32位，速度可达132MBps。 **第二代：PCI、AGP、PCI-X** PCI（Peripheral Component Interconnect）是1992年推出的标准，提供了32位数据宽度和133MBps的数据速率，它是一个与处理器无关的局部总线，通用性更强。AGP（Accelerated Graphics Port）是专为图形处理设计的接口，首次将PCI总线从图形数据传输中分离，提高了带宽。PCI-X则是PCI的增强版，提供了更高的频率和更宽的数据宽度。 **第三代：PCIe** PCIe是2002年开始引入的，它采用了串行总线结构和点到点的连接方式，每个连接（lane）可以单独提供数据传输，且带宽不再共享。PCIe 1.x版本有单路、双路和四路，随着版本的升级，lane数量可以增加，数据传输速率也大幅提升，例如PCIe 2.0的数据速率可达5GBps（每个lane）。这种架构降低了信号干扰，提高了传输效率。 PCIe的核心改进在于： 1. **串行化**：将并行总线转换为串行总线，减少了信号干扰和布线复杂性。 2. **点到点连接**：每个设备都有独立的链路，独享带宽，避免了总线争用。 3. **信息包传输**：总线上的数据不再通过单独的数据、地址和控制线，而是以信息包（Packet）的形式传输，简化了信号管理。 4. **兼容性**：虽然结构改变，但在地址空间、配置机制及软件层面上，PCIe仍保持与传统PCI的兼容性。 PCIe相对于PCIx的优势在于： 1. **频率提升**：通过PLL（Phase-Locked Loop）技术，PCIe可以实现更高的工作频率。 2. **属性扩展**：增加了属性字段，增强了数据传输的灵活性和扩展性。 PCIe的出现是计算机接口技术的一大进步，它解决了并行总线的带宽瓶颈问题，提供了更高效、低延迟的通信方式，为高性能设备的连接奠定了基础。随着技术的不断迭代，PCIe已经发展到多代，如PCIe 4.0、PCIe 5.0，继续推动着数据传输速度的提升。