高速串行總線系列（6）PCI Express的帶寬為什么可以這么大？

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前言

PCI

高速串行連接

PCIe的lanes

PCIe的連接速度

前言

PCI Express是一種高速串行連接，其運行方式更像是網絡而不是總線。

PCI Express，通常簡稱為PCIe，它是由PCI演變而來的，下面一起認識認識。

PCI

外圍組件互連（PCI）插槽是計算機體系結構不可或缺的一部分，大多數人都認為這是理所當然的。多年來，PCI一直是一種將聲音，視頻和網卡連接到主板的通用功能方法。

但是PCI有一些缺點。隨著處理器，視頻卡，聲卡和網絡變得越來越快，功能越來越強大，PCI一直保持不變。它具有32 位的固定寬度，一次只能處理5個設備。較新的64位PCI-X總線提供了更大的帶寬，但其更大的寬度又增加了PCI的其他一些問題。

一種稱為PCI Express（PCIe）的新協議消除了這些缺點中的許多缺點，提供了更大的帶寬并與現有的操作系 統兼容。

高速串行連接

在計算的早期，大量的數據通過串行連接移動。計算機將數據分離成數據包，然后每次將數據包從一個地方傳送到另一個地方。串行連接很可靠，但速度很慢，因此制造商開始使用并行連接來同時發送多個數據。

事實證明，隨著速度越來越高，并行連接也有自己的問題–例如，電線會在電磁上相互干擾–所以現在鐘擺又向高度優化的串行連接擺去。硬件的改進以及數據包的分割、標記和重新組裝過程的改進導致了更快的串行連接，如USB 2.0和FireWire。

PCI Express是一種串行連接，其運行方式更像是網絡而非總線。PCIe不是用一條總線來處理來自多個源的數據，而是用一個開關來控制多個點對點的串行連接。(詳情請參見 LAN 交換機的工作原理。)這些連接從交換機中呈扇形分布，直接通向數據需要傳送的設備。每個設備都有自己的專用連接，因此設備不再像在普通總線上那樣共享帶寬。我們將在下一節中查看這種情況是如何發生的。

PCIe的lanes

lanes翻譯為通道，為PCIe的串行數據發送以及接收的通道。

當計算機啟動時，PCIe會確定哪些設備被插入主板。然后，它識別設備之間的鏈接，創建一個流量走向的地圖，并協商每個鏈接的寬度。這種設備和連接的識別與PCI使用的協議相同，因此PCIe不需要對軟件或操作系統進行任何更改。

PCI Express連接的每條通道都包含兩對導線–一條用于發送，一條用于接收。數據包以每周期一個比特的速度在通道上移動。x1連接是最小的PCIe連接，有一個由四根線組成的通道（差分）。它在每個方向上每周期傳輸一個比特。x2連接包含八根線，一次傳輸兩個比特，x4連接傳輸四個比特，以此類推。其他配置有x12、x16和x32。

PCI Express適用于臺式機和筆記本電腦。它的使用可能導致主板生產成本降低，因為它的連接包含的針腳比PCI連接少。它還具有支持許多設備的潛力，包括以太網卡、USB 2和視頻卡。

但是，一個串行連接怎么可能比PCI的32線或PCIx的64線更快呢？在下一節中，我們將看看PCIe是如何以串行格式提供大量帶寬的。

PCIe的連接速度

32位PCI總線的最高速度為33MHz，允許每秒通過總線的數據量最大為133MB。64位PCI-X總線的總線寬度是PCI的兩倍。不同的PCI-X規格允許不同的數據傳輸速率，從每秒512 MB到1 GB的數據都有。

然而，單條PCI Express通道每秒可處理每個方向200 MB的流量。一個x16 PCIe連接器可以在每個方向上每秒傳輸6.4 GB的數據，速度驚人。在這種速度下，x1連接可以輕松處理千兆以太網連接以及音頻和存儲應用。一個x16連接可以輕松處理強大的圖形適配器。

這怎么可能呢？一些簡單的進步促成了串行連接速度的大幅提升。

數據的優先級，使系統可以先移動最重要的數據，并幫助防止瓶頸的出現。

依靠時間的（實時）數據傳輸

改進用于連接的物理材料；

更好的握手和錯誤檢測

更好的方法將數據分解成數據包，再將數據包組合起來。此外，由于每個設備都有自己與交換機的專用點對點連接，來自多個來源的信號不再需要通過同一總線工作。

在并行連接中，干擾和信號衰減是很常見的。劣質材料和來自附近電線的交叉信號會轉化為噪聲，從而降低連接速度。PCI-X總線的額外帶寬意味著它可以承載更多的數據，從而產生更多的噪聲。PCI協議也不會對數據進行優先級排序，因此更多重要的數據可能會被瓶頸所困擾。為顯卡使用加速圖形端口（AGP）插槽可以消除大量的流量，但不足以補償更快的處理器和I/O設備。

注：以上內容僅僅為PC上的PCIe簡介。更多的關于FPGA以及其他嵌入式設備上的PCIe后面可能會單獨更新。

Express

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