什么是PCI Express 標準
加入技術交流群
本白皮書主要著眼已經(jīng)得到廣泛采用的PCI 總線的成功優(yōu)勢所在，同時詳細介紹下一代高性能I/O 互連技術PCI Express 它將作為標準的局域I/O 總線被廣泛應用于未來各種計算機平臺。本白皮書還將就PC 總線技術的演變歷程、PCI Express 的物理層和軟件層、PCI Express 所能帶來的益處和競爭優(yōu)勢以及此項嶄新技術在測量自動化系統(tǒng)領域里預示的令人振奮的深遠意義，做個整體技術性概述。
PC 的演進歷史
上世紀90 年代初，PCI 總線一經(jīng)推出，即統(tǒng)一了當時并存的多種I/O 總線，諸如VESA 局域總線，EISA，ISA 和微通道等等，如圖1所示。它首先被用于實現(xiàn)芯片與芯片間互連并替代了不全面的 ISA 總線。在早期，33MHz PCI總線很好地滿足了當時主流外設I/O 的帶寬需要。然而現(xiàn)在情況發(fā)生了變化，處理器速度驚人地提高，以及處理器和內存的頻率也不斷 地攀升。在這一期間，PCI 總線的頻率由33MHz 提高到66MHz， 而處理器的速度由33MHz 提高到3GHz 。一個具有新I/O 技術的總線設備如千兆以太網(wǎng)和 IEEE 1394B ，就可能占用幾乎所有 PCI 總線帶寬。
 |
和以前的總線相比，PCI 總線具有很多優(yōu)勢，其中最重要的是處理器的獨立性，帶緩沖的隔離，總線主控和真正的即插即用。帶緩沖的隔離真正地實現(xiàn)了CPU 局域總線和 PCI 總線間在電路和時鐘方面的隔離。這一特性能為系統(tǒng)性能帶來兩個主要好處。首先是 PCI 總線和CPU 總線可以工作在各自的時鐘周期；第二是由于有獨立的PCI 總線速度和負載，可單獨提高CPU 局域總線的頻率。通過總線主控，PCI 設備以仲裁處理方式訪問 PCI 總線并且能直接控制總線處理業(yè)務，而不用等主CPU 為設備提供服務，從而使得整個I/O 處理業(yè)務的等待時間減少。即插即用操作，可以自動檢測和配置設備，得到基本地址不再需要中斷運行和手工設置開關跳線，而這些都曾使 ISA 板卡的用戶感到很棘手。
PCI 面臨的挑戰(zhàn)
出色的 PCI 已經(jīng)享受到了成功的殊榮，而今開始面臨一系列新的挑戰(zhàn)，包括帶寬的限制，主管腳數(shù)的限制，缺乏如同步數(shù)據(jù)傳輸這樣的實時數(shù)據(jù)傳輸服務以及沒有下一代I/O 所需的服務質量，以及電源管理和虛擬I/O 等問題。
自從PCI 推出以來，我們不斷完善PCI 的各項規(guī)格，試圖跟上日益增加的更高I/O 要求。各階段具體革新總結如下表所示：
 |
諸如數(shù)據(jù)采集，波形生成，包含音頻和視頻流的多媒體應用等需要保證帶寬和有確定的等待時間，如果不能滿足這一點，有經(jīng)驗的用戶也會束手無措。原始的PCI 規(guī)范并沒有考慮這些問題，這是因為在制定規(guī)范時上述應用并不普及。如今的同步數(shù)據(jù)傳輸，如高清晰度的無壓縮視頻和音頻，要求I/O 系統(tǒng)包含同步傳輸功能。同步傳輸?shù)牧硪粋€作用是：和典型的PCI 設備相比，局域 PCI Express 設備只用少得多的內存就能實現(xiàn)緩沖功能，從而把所使用的可變帶寬降至最低。
最后，對下一代I/O 的要求如服務質量測量和電源管理等，能提高數(shù)據(jù)的完整性并允許有選擇地關閉系統(tǒng)設備對于現(xiàn)代PC 不斷增加的電源功率來說這是需要重點考慮的。虛擬通道允許數(shù)據(jù)通過虛擬路由來傳送；即使其它通道被更重要的處理業(yè)務所阻塞，也一樣能進行數(shù)據(jù)傳輸。
盡管 PCI 總線在某些方面已有些過時，但是轉變到PCI Express 還要經(jīng)過一個長期過程，并且未來許多年里PCI 總線將仍然是I/O 擴展的強有力競爭者。隨著PCI Express 技術日益贏得認可和廣泛采用，2004 年以及此后推出的新型PC 將會同時配有PCI 插槽和PCI Express 插槽。
PCI Express 構架
如圖 2 所示，即 PCI Express 的層次體系結構。它保持了與 PCI 尋址模式（加載－存儲體系結構且具有單層地址空間）的兼容性，從而保證了所有現(xiàn)有的應用程序和驅動操作無需改變。PCI Express 配置使用的是PCI 即插即用標準中所定義的標準機制。軟件層發(fā)出讀和寫請求，并使用基于數(shù)據(jù)包、分段傳輸?shù)膮f(xié)議通過處理層傳輸至I/O 設備。
鏈路層向這些數(shù)據(jù)包添加序列號和循環(huán)冗余校驗（CRC ）從而創(chuàng)建了一個高度可靠的數(shù)據(jù)傳輸機制。基本的物理層包括兩個單工通道，即傳輸對和接收對。這個傳輸對和接收對一起被稱為一個信道。2.5 Gb/s 的初始速度提供了在每個PCI Express 信道上每個方向上大約250 MB/s 標準帶寬。一旦考慮協(xié)議頭，這其中大約200 MB/s 由設備用來傳輸數(shù)據(jù)。這一速率是大多數(shù)典型 PCI 設備的 2 番到 4 番。而且不同于 PCI 的是，只要總線帶寬在設備之間共享，每一個設備都 具有此帶寬。
評論