图4

　　从图中可以看出，PCIExpress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PCIExpress总线与芯片组连接的。

　　综上所述，目前来说PCIExpress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。>PCIExpress的硬件协议

　　PCIe的连接是建立在一个双向的序列的（1-bit）点对点连接基础之上，这称之为“传输通道”。与PCI连接形成鲜明对比的是PCI是基于总线控制，所有设备共同分享的单向32位并行总线。PCIe是一个多层协议，由一个对话层，一个数据交换层和一个物理层构成。物理层又可进一步分为逻辑子层和电气子层。逻辑子层又可分为物理代码子层（PCS）和介质接入控制子层（MAC）。

　　物理层

　　各式不同的PCIExpress插槽（由上而下：x4,x16,x1，与x16），相较于传统的32-bitPCI插槽（最下方），取自于DFI的LanPartynF4Ultra-D机板于使用电力方面，每组流水线使用两个单向的低电压差分信号（LVDS）合计达到2.5兆波特。传送及接收不同数据会使用不同的传输通道，每一通道可运作四项资料。两个PCIe设备之间的连接成为“链接”，这形成了1组或更多的传输通道。各个设备最少支援1传输通道（x1）的链接。也可以有2，4，8，16，32个通道的链接。这可以更好的提供双向兼容性。（x2模式将用于内部接口而非插槽模式）PCIe卡能使用在至少与之传输通道相当的插槽上（例如x1接口的卡也能工作在x4或x16的插槽上）。一个支援较多传输通道的插槽可以建立较少的传输通道（例如8个通道的插槽能支援1个通道）。PCIe设备之间的链接将使用两设备中较少通道数的作为标准。一个支援较多通道的设备不能在支援较少通道的插槽上正常工作，例如x4接口的卡不能在x1的插槽上正常工作（插不入），但它能在x4的插槽上只建立1个传输通道（x1）。PCIe卡能在同一数据传输通道内传输包括中断在内的全部控制信息。这也方便了与PCI的兼容。多传输通道上的数据传输采取交叉存取，这意味着连续字节交叉存取在不同的通道上。这一特性被称之为“数据条纹”，需要非常复杂的硬件支援连续数据的同步存取，也对链接的数据吞吐量要求极高。由于数据填充的需求，数据交叉存取不需要缩小数据包。与其它高速数传输协议一样，时钟信息必须嵌入信号中。在物理层上，PCIe采用常见的8B/10B代码方式来确保连续的1和0字符串长度符合标准，这样保证接收端不会误读。编码方案用10位编码比特代替8个未编码比特来传输数据，占用20%的总带宽。到了PCIe3.0，采用128B/130B代码方式，仅占用1.538%的总带宽。有些协议（如SONET）使用另外的编码结构如“不规则”在数据流中嵌入时钟信息。PCIe的特性也定义了一种“不规则化”的运算方法，但这种方法与SONET完全不同，它的方法主要用来避免数据传输过程中的数据重复而出现数据散射。第一代PCIe采用2.5兆位单信号传输率，PCI-SIG计划在未来版本中增强到5~10兆位。

　　数据链接层

　　数据链接层采用按序的交换层信息包（TransactionLayerPackets,TLPs），是由交换层生成，按32位循环冗余校验码（CRC，本文中用LCRC）进行数据保护，采用着名的协议（AckandNaksignaling）的信息包。TLPs能通过LCRC校验和连续性校验的称为Ack（命令正确应答）；没有通过校验的称为Nak（没有应答）。没有应答的TLPs或者等待逾时的TLPs会被重新传输。这些内容存储在数据链接层的缓存内。这样可以确保TLPs的传输不受电子噪音干扰。PCIe对于ACK有所规范，在收到TLP封包之后，在一定时间内必须回应ACK，也就是ACK延迟（ACKLatency）的等待时间。因应ACK/NAK流程的需要，必须实作出重新播送缓冲器（ReplayBuffer）。

　　Ack和Nak信号由低层的信息包传送，这些包被称为数据链接层信息包（DataLinkLayerPacket,DLLP）。DLLP也用来传送两个互连设备的交换层之间的流控制信息和实现电源管理功能。

　　交换层

　　PCIExpress采用分离交换（数据提交和应答在时间上分离），可保证传输通道在目标端设备等待发送回应信息传送其它数据信息。它采用了可信性流控制。这一模式下，一个设备广播它可接收缓存的初始可信信号量。链接另一方的设备会在发送数据时统计每一发送的TLP所占用的可信信号量，直至达到接收端初始可信信号最高值。接收端在处理完毕缓存中的TLP后，它会回送发送端一个比初始值更大的可信信号量。可信信号统计是定制的标准计数器，这一算法的优势，相对于其他算法，如握手传输协议等，在于可信信号的回传反应时间不会影响系统性能，因为如果双方设备的缓存足够大的话，是不会出现达到可信信号最高值的情况，这样发送数据不会停顿。第一代PCIe标称可支援每传输通道单向每秒250兆字节的数据传输率。这一数字是根据物理信号率2500兆波特除以编码率（10位／每字节）计算而得。这意味着一个16通道（x16）的PCIe卡理论上可以达到单向250*16=4000兆字节／秒（3.7G字节／每秒）。实际的传输率要根据数据有效载荷率，即依赖于数据的本身特性，这是由更高层（软件）应用程序和中间协议层决定。PCIExpress与其它高速序列连接系统相似，它依赖于传输的鲁棒性（CRC校验和Ack算法）。长时间连续的单向数据传输（如高速存储设备）会造成>95%的PCIe通道数据占用率。这样的传输受益于增加的传输通道，但大多数应用程序如USB或以太网络控制器会把传输内容拆成小的数据包，同时还会强制加上确认信号。这类数据传输由于增加了数据包的解析和强制中断，降低了传输通道的效率。这种效率的降低并非只出现在PCIe上。>PCIExpress的技术优势

　　PCIExpress之所以能迅速得到业界的承认，并且被大家公认为下一代10年总线标准，它具有鲜明的技术优势，它可以全面解决PCI总线技术所面临的种种问题。有专家预计，PCIExpress的设计不只要取代PCI及AGP的插槽，同时也会是一些电脑内部系统连接接口，如处理器、绘图、网络及磁盘的I/O子系统芯片间的连接。下面就来具体介绍这个新总线技术有哪些关键技术优势：

　　·在两个设备之间点对点串行互联（两个芯片之间使用接口连线；设备之间使用数据电缆；而PCIExpress接口的扩展卡之间使用连接插槽进行连接）；

　　与PCI所有设备共享同一条总线资源不同，PCIExpress总线采用点对点技术，能够为每一块设备分配独享通道带宽，不需要在设备之间共享资源，这样充分保障了各设备的宽带资源，提高数据传输速率；·双通道，高带宽，传输速度快在数据传输模式上，PCIExpress总线采用独特的双通道传输模式，类似于全双工模式，大大提高了数据与速度。在传输速度上，1.0版本的PCIExpress将从每个信道单方向2.5Gbps的传输速率起步，而它在物理层上提供的1～32速可选信道带宽特性更使其可以轻松实现近乎"无限"的扩展传输能力。

　　·灵活扩展性

　　与PCI不同，PCIExpress总线能够延伸到系统之外，采用专用线缆可将各种外设直接与系统内的PCIExpress总线连接在一起。这样可以允许开发商生产出能够与主系统脱离的高性能的存储控制器，不必再担心由于改用FireWire或USB等其它接口技术而使存储系统的性能受到影响。

　　·低电源消耗，并有电源管理功能

　　这主得益于PCIExpress总线采用比PCI总线少得多的物理结构，如单x1带宽模式只需4线即可实现调整数据传输，实际上是每个通道只需4根线，发送和接收数据的信号线各一根，另外各一根独立的地线。当然实际上在单通道PCIExpress总线接口插槽中并不是4针引脚，而是18针，这其余的14针都是通过4根芯线相互组合得到的。由于减少了数据传输芯线数量，所以它的电源消耗也就大大降低了。

　　·支持设备热拨插和热交换

　　PCIExpress总线接口插槽中含有"热拨插检测信号"，所以可以像USB、IEEE1394总线那样进行热拨插和热交换。

　　·支持QoS链接配置和公证策略

　　·支持同步数据传输

　　PCIExpress总线设备可以通过主机桥接器芯片进行基于主机的传输，也可以通过交换器进行点对点传输；

　　·具有数据包和层协议架构

　　它采用类似于网络通信中的OSI分层模式，各层使用专门的协议架构，所以可以很方便地在其它领域得到广泛应用。

　　·每个物理链接含有多点虚拟通道

　　类似于InfiniBand，PCIExpress总线技术在每一个物理通道中也支持多点虚拟通道，理论上来讲每一个单物理通道中可以允许有8条虚拟通道进行独立通信控制，而且每个通信的数据包都定义不同的QoS。正因如此，它与外设之间的连接就可以得到非常的数据传输速率。

　　·可保持端对端和链接级数据完整性

　　这是得益于PCIExpress总线的分层架构，具体将在下篇介绍。

　　·具有错误处理和先进的错误报告功能

　　这也是得益于PCIExpress总线的分层架构，它具有软件层，软件层的主要功能就是进行错误处理和提供错误报告，具体将在下篇介绍。

　　·使用小型连接，节约空间，减少串扰

　　PCIExpress技术不需要像PCI总线那样在主板上布大量的数据线（PCI使用32或64条平行线传输数据），与PCI相比，PCIExpress总线的导线数量减少了将近75%（PCIExpress总线也会有好几种版本的），速度会加快而且数据不需要同步。同时因为主板上走线少了，从而可以使通过增加走线数量提升总线宽度的方法就更容易实现，同时各走线之间的间隔就可以更宽，减少了相互之间的串扰。

　　·在软件层保持与PCI兼容

　　跨平台兼容是PCIExpress总线非常重要的一个特点。目前被广泛采用的PCI2.2设备可以在这一新标准提供的低带宽模式下运行，不会出现类似PCI插卡无法在ISA或者VLB插槽上使用的问题，从而为广大用户提供了一个平滑的升级平台。同时由IBM创导的PCI-X接口标准在PCIExpress标准中也得到了兼容，但要注意的是它不兼容目前的AGP接口。

　　鉴于如此众多的优势，大家都认为PCIExpress将成为今后10年内的主要内部总线连接标准，它不但将被用在台式机、笔记本电脑以及服务器平台上，甚至会继续延伸到网络设备的内部连接设计中。>PCIExpress的相关术语

　　8B/10B编码：一种嵌入式时钟编码信号。编码有两个目的，首先它确保了数据流中有足够的变换用于恢复时钟，第二0和1的个数是匹配的，保证了AC耦合系统中DC平衡

　　AGP：高级图形端口使用不同接口卡的更高速PCI总线，是为了满足台式机专用插入式显卡的带宽需要而开发的。

　　CRC：循环冗余码校验通过在包中添加一组计算值来检测和纠正比特误差的方法。这些值由包中原始数据推出

　　差分：差分信号采用两条线来传送一个180度异相信号。主要的好处是能降低引入噪声的灵敏度

　　ExpressCard：包括PCIExpress和USB2.0接口的小型I/O卡

　　ISABus：工业标准构架1984年推出的PC总线标准，它把XT总线构架扩展到16位。设计用来连接外设卡和主板。也被称为ATbus

　　PICMG：PCI工业计算机制造商联盟维护目前CompatPCI和PCI/ISA规范的公司联盟PCI

　　外设组件连接：最初由Intel设计的高速并行总线，用来连接外设和CPU

　　PCIExpress：PCI的改进版，保持PCI软件的使用模型并使用具有多通路的高速（2.5Gb/s）串行总线替代物理总线SIOM服务

　　I/O模块：I/O模块，为服务器和工作站应用而设计，使用PCIExpress进行通信USB2.0是外部差分点对点串行总线，能提供的数据速率为480Mb/s。

　　USB2.0是USB1.1的扩展，它使用相同的线缆和连接器>PCIExpress的应用

　　在机架和刀片服务器中的应用

　　绝大多数的服务器可分为两类—I/O服务器和计算服务器。一般来说，I/O服务器拥有1-2个CPU及多个I/O插槽，以及连接到I/O资源的各种设备，如内存、通信设备等；而计算服务器则具备更强的计算能力（四个或更多的CPU）及较少的I/O资源。传统的机架服务器一般为19英寸宽，1-4U高。但新兴的刀片服务器正凭借其成本少、功耗低、体积小及管理容易等特性，大肆抢占机架服务器的市场份额。

　　服务器之所以转向PCIe技术，就是为了利用PCIe在带宽、可扩展性、广泛的生态圈等方面的优势。今天市面上的服务器大都提供一些PCIe插槽，当然大部分还是PCI-X插槽，但我们看到，随着芯片组厂商在芯片组上逐步取消PCI-X接口，PCIe取代PCI-X已是时间问题。

　　值得一提的是，如今市面上的绝大多数芯片组都提供3-4个数目有限的PCIe端口，但I/O密集型应用显然需要更多的PCIe端口，如存储系统。于是，有些服务器厂商如PLX公司，就开发了带有多个通道和端口的PCIe交换器，以增加服务器主板上的PCIe端口数。

　　通常，刀片服务器提供SAS/SATA、光纤通道、千兆以太网等几种接口，以连接那些无法被所有刀片所共享的网络设备和存储设备。上文已提到：全新的PCIe协议新增了IOV技术，这将减少连接数，实现I/O资源的共享，从而可以极大地降低服务器的采购、维护、支持及管理成本。

　　在PC图像处理方面的应用

　　PC图形卡是驱动PCIe技术发展的关键因素。2006年，绝大部分的高端PC机都具备一个x16PCIe插槽，以支持3D、高分辨率的图形图像效果。

　　PC视频游戏犹如高速公路上的汽车，发展速度非常快，显卡厂商不断研制高分辨率图像处理元件（GPU），以提高硬件性能。如今，高端图像技术在科学、娱乐以及工程领域的重要性已是无可非议。GPU制造商也希望游戏发烧友们在两个x16PCIe插槽上安装两个GPU，来实现终极游戏体验。

　　在多显示器计算中的应用

　　多显示器计算刚刚崭露头角，以往多用于金融和专业制图领域，但随着成本的降低，有望成为一种主流趋势，其应用领域主要包括：电子数据表分析程序、出版印刷、CAD、CAM、CAID、工程跟踪、网站设计、网络游戏、游戏开发、模型设计、商业演示、金融分析、股票交易、软件开发、模拟仿真、视频会议、动画、音频/视频编缉等等。促进这种应用模式发展的关键因素在于：PCIe技术、全新的操作系统、更低的内存价格、LCD技术改进、显示器价格和新一代GPU设备。

　　在上述领域中，用户的工作需要同时和多种应用程序打交道，多显示器计算正好可以同时浏览及处理大量的信息资源。通过多个显示器，用户可以在多个显示屏上移动和排列各种不同的信息和图像，从而提高工作效率。

　　在多显示器计算的音频/视频应用中，PCIe接口提供了GPU和处理器（芯片组）间的连接。同时，交换器可以用来扩展主处理器（或者芯片组）上的PCIe端口数，进而连接多个GPU。这使得板卡制造商可以设计更多的图形端口（插槽），以支持多显示器系统。

　　在存储系统和路由器中的应用

　　一个典型存储系统依靠CPU、内存、I/O芯片、模块和存储设备间的高速连接。在如今的很多系统中，PCIe就提供了FC、SCSI、SATA等存储接口与处理器间的连接，从而实现对整个存储系统的控制管理。

　　光纤通道总线适配器（HBA）在企业级存储系统中占有重要地位。通常，HBA、FC、SCSI、SATA及其他接口都采用传统的PCI/PCI-X连接总线；HBA通过芯片组连接到主机（适用于x86结构）或者直接连接主机（适用于RISC架构）。但为了支持日益增长的CPU速度和存储接口数据率，利用PCI/PCI-X等传统总线来设计系统的方法开始受到严重挑战。而且，为了增加插槽数量，还需要额外的PCI/PCI-X桥接器，从而带来了额外的成本、噪音、复杂性、主板空间及延迟。传统总线的这些不足却促进了PCIe等串行交换技术的普及。

　　PCIe交换器主要用于扩展存储系统主板的PCIe端口数，用以连接更多组件或HBA上的ASIC。多数FCHBA厂商都转向了PCIe技术，因为它提供了串行接口，拥有更高的可扩展带宽，完全符合FC线率（1GB/s、2GB/s、4GB/s及8GB/s）的要求。现在，市场上许多厂商都提供了相应的FCHBA和SATA卡。

　　大家知道，互联网连接主要依靠路由器的性能，路由器控制着信息数据（包）在用户、计算机和远程系统之间的传递，如网上冲浪、邮件、ftp等应用。高端路由器每秒可以处理数以百万计的数据包，从而满足现代信息社会对处理速度和实时响应的苛刻要求。这些路由器为验证、安全、服务质量、路由优化以及网络管理提供远程包处理。一些专用处理器和定制的ASIC也会参与其中。这些处理器和ASIC需要通过高速有效的、芯片对芯片或主板对主板的互联技术进行连接。通常，路由器由网卡、路由器模块及控制模块组成。

　　在工业嵌入式系统中的应用

　　如今，PCIe已经被许多标准组织采用，用于工业嵌入式领域，如高端电信（AdvancedTelecom）、微型TCA系统和AMC规格。其中，AMC采用PCIe高速串行接口，用于支持微型TCA系统中的AMC模块和高级TCA系统中的载波模块。AMC模块被通信、医疗设备、蜂窝基站及成像系统等许多嵌入式环境采用。

　　在基于X86、MIPS、PowerPC等处理器的系统中，PCIe接口提供了芯片组上的互联。PCIe交换器则用于扩展芯片组或处理器上有限的端口数。有些系统利用交换器的PTP功能开发系统背板和交换机，以支持更多的I/O设备。

　　为了方便管理和控制，大多数路由器厂商采用传统PCI来连接路由器的子系统。近来，随着对管理模块带宽和处理能力需求的日益增长，迫使设计者寻求新的更快速的互联技术。而PCIe技术由于可以同PCI兼容，正好提供了这一便利，且无须更改网络操作系统。PCIe交换器可用于连接嵌入式处理器和网络处理器，因为大多数处理器都提供PCIe接口。

　　另一个例子是，传统的安全系统在控制范围和功能上都有局限性，比如只能简单地检测门窗开关系统。但最近几年，这些系统的功能有了较大改善，如可以通过有线或无线摄像机，对受保护区域中的多个点进行视频监控——获取视频图象，在本地机上进行处理，然后传送到主机进行分析。显然，这么多高分辨率摄像机对系统带宽和吞吐量也提出了更高的要求，需要多个高速端口将信息传送给CPU或主机。PCIe交换器因为可以提供高速点对点连接，正好可以漂亮地满足这些要求。

　　综上所述，PCIExpress由于提供了高速带宽、可扩展、广泛的生态圈、与PCI兼容等诸多优势，其应用范围正在从传统的PC和图形工作站领域向外扩展，在服务器、存储、路由、多显示器计算以及工业嵌入式系统中都得到了非常广泛的应用，其取代传统的PCI/PCI-X总线也不过是时间问题。>PCIExpress的前景

　　PCI-Express体系结构符合第三代I/O总线的所有需求。PCI-Express的不同就在于点对点的串行连接，可以使用更少的数据线提供更高的连接速度。它可以为任何带宽需求的应用以每帧100MB/s的速度进行传输。它的先进特征的自由缩放性能将及成为统一的I/O方案而全面进入台式机、笔记本电脑、服务器、通信、工作站的内置设备等领域。PCI-Express连接是执行多通道、点对点连接的，而多通道可以用来建立I/O之间的互联，而使带宽得到成倍地增加。

　　这种I/O之间的互联可以使系统之间的发割变得非常容易，其成本与当前工作PCI架构相当，甚至更少。并且PCI-Express与现在的PCI软件保持兼容，这样有利于在将来的系统中得到综合。

　　随着PCI-SIG颁发PCIExpress1.0以来，几乎没有谁会再怀疑PCIExpress将是下一代总线标准。不仅原有的PCI、AGP总线拥戴者如此，就连许多各种不同的系统内部总线开发者，如AMD、VIA、SIS、ATi、nVIDIA等都无不提出对PCIExpress的支持，纷纷想把自己的总线技术加入到PCIExpress技术之中，尤其是Intel的竞争对手AMD。由此看来，PCIExpress总线将一统天下的局面似乎没有什么障碍，但实际上至少在目前为止还远不是说这话的时候，特别是在服务器和工作站中，因为在其中早已有像Infiniband和PCI-X总线技术得到广泛的应用。还有如RapidIO和Intel自己的超线程技术等。

　　正如PCIExpress工作小组Arapahoe所说的那样，以上所说的这些解决方案面向的目标与PCIExpress总线不同。RapidIO和超线程技术是针对那些特殊的应用，而PCIExpress则是为一般应用所设计的。PCIExpress取代超线程技术而作为处理器之间接口的可能性也几乎是不存在的，因为PCIExpress缺乏高速缓存一致性协议，在同步时钟周期内高于并行接口的潜伏期也使它不适于此类应用。所以，AMD和nVidia没什么可害怕的，Intel也不会用它来取代P4总线，因为一个开放的PCIExpress标准意味着Intel无法再为P4总线授权问题而起诉其他第三方芯片组厂商。

　　但是PCIExpress仍有着巨大的发展潜力，它在一般用途的定位使其在灵活性方面具有明显的优势，而且这确保了它有着广阔的应用前景。

　　由于有着许多改变，所以从PCI到PCIExpress的转变不会在一夜之间完成。ISA插槽挣扎了近10年才最后被PCI总线全面取代而消失，所以不要认为你的PCI设备已经落伍了。

　　PCIExpress底板1.0a规范和板卡电气1.0a规范都已经发布了，但我们要等到2004年才能看到真正的PCIExpress产品，在桌面机和服务器中全面采用PCIExpress接口的设备更不是近两、三年可以出现的。或许最开始是nVidia和ATi的显卡产品以及基于Grantsdale芯片组的Intel主板。在服务器终端市场，Intel想要通过Lindenhurst和TwinCastle芯片组来引进PCIExpress。由于各种新的因素和富有前途的性能表现，PCIExpress的未来看上去充满希望。

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