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1、综述PCI Express总线及其应用作者：老糊涂仙 发表时间：2004-4-8 10:10:00第 1 页 前言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
2、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
3、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
4、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
5、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。 第 2 页 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8
6、00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
7、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
8、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
9、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
10、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。第 3 页 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，P
11、CI 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: PC
12、I 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
13、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）P
14、CI 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）以及不同的终端设备，并可能存在PCI到PCI Express的连接桥路。下图就是在PCI Express 1.0规范中的结构图，有些像开关网络。 下面这个是PCI Express开关设备的逻辑图： 下面这个是PCI Express开关设备的逻辑图： 下面这个则是PCI系统和PCI Expres
15、s系统的对比： 点对点的通信可以在一个终端设备通过Root Complex与另一个终端设备之间进行，也可以在一个终端设备通过Switches与另一个Switches之间，然后再接到一个终端设备。 第 4 页 PCI Express：新型总线(续)还有一种方式称作高级点对点通信，大家可以看看下面的图片。由于实现方式的不同，Root Complex可能包括高级切换功能来实现主机软件之间的点对点通信。 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
16、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。基础PCI Express串行连接的另一项关键功能是可以通过8b/10b的编码，植入了时钟信号技术。时钟信号被直接植入数据流中，而不是作
