PCIe總線的過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)

在 PCI Express 誕生 20 周年之際，我們回顧一下這一盛行的擴(kuò)展插槽的過(guò)去和未來(lái)。

PCI Express (PCIe) 總線誕生于 PC 中的擴(kuò)展插槽數(shù)量與 CPU 時(shí)鐘速度或系統(tǒng) RAM 數(shù)量同等重要的時(shí)代。此后，PCIe總線從一組插槽、插入式擴(kuò)展卡發(fā)展到高速互連拓?fù)洹?/p>

最新的 SSD（固態(tài)硬盤(pán)）接口是 PCIe 4.0、M.2 外形尺寸的四通道接口。

PCIe 總線的開(kāi)始：IBM 和 5150 PC

PCIe 總線起源于 1981 年推出的IBM PC 型號(hào) 5150。5150 的熱門(mén)前身（例如 Apple II）使用開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)總線或發(fā)布了第三方擴(kuò)展板的總線規(guī)范。這種競(jìng)爭(zhēng)壓力促使 IBM 開(kāi)放 5150 總線并發(fā)布其規(guī)范。

在 IBM 的支持下，整個(gè)行業(yè)都是圍繞為 IBM PC 總線設(shè)計(jì)和提供擴(kuò)展卡而建立的。IBM 的第二個(gè) PC 型號(hào) PC/AT 將總線數(shù)據(jù)寬度從 8 位提高到 16 位，并保持開(kāi)放式架構(gòu)。許多公司在他們的 PC 克隆中使用了總線，稱為 PC 兼容機(jī)?？偩€在擴(kuò)展板和 PC 克隆行業(yè)中的廣泛使用導(dǎo)致了總線的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu) (ISA)。這對(duì)消費(fèi)者和 PC 克隆制造商來(lái)說(shuō)是件好事，但它奪走了 IBM 的控制權(quán)和許可收入。

IBM 試圖重新獲得標(biāo)準(zhǔn)控制權(quán)

20 世紀(jì) 80 年代末，新的處理器和更快的速度使得 ISA 總線變得過(guò)時(shí)。IBM 推出了其新的專有微通道總線，試圖解決 ISA 的缺點(diǎn)。該公司保持微通道的專有性，以從出售給 PC 兼容制造商的許可費(fèi)中獲利。然而，PC 行業(yè)遷移到由PCI 特別興趣小組(PCI-SIG ) 維護(hù)的英特爾 32 位外圍組件互連 (PCI) 總線 。

1995 年最先進(jìn)的 PC 兼容 i80486 主板，支持 ISA（前景中的四個(gè)黑色插槽）和 PCI（中間的三個(gè)白色插槽）。

雖然 PCI 總線與微通道一樣速度更快，但它是一個(gè)開(kāi)放的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。PCI 開(kāi)創(chuàng)了一種無(wú)需附加卡即可將主板內(nèi)置外設(shè)連接到總線的架構(gòu)。在以前的 ISA 架構(gòu)中，主板內(nèi)置的外設(shè)通常需要定制的非標(biāo)準(zhǔn)接口電路。PCI 總線提供了一個(gè)板載外圍接口，在電氣上相當(dāng)于將板插入插槽，從而更容易實(shí)現(xiàn)板載集成和軟件支持。

PCI 總線（仍然）不足

盡管 PCI 提供了比 ISA 更高的性能，但它繼承了 ISA 拓?fù)涞脑S多缺點(diǎn)。與 ISA 一樣，PCI 總線也采用共享并行數(shù)據(jù)總線架構(gòu)。雖然 PCI 在速度潛力和信號(hào)完整性方面取得了重大進(jìn)步，但它仍然需要每個(gè)外設(shè)共享資源并協(xié)商單獨(dú)的總線訪問(wèn)。

圖形加速卡制造商比其他接口卡制造商更早遇到這些限制，這促使了加速圖形端口(AGP)的開(kāi)發(fā)。AGP 是 PCI 的超集，它脫離了總線共享，并在 AGP 卡插槽和主板芯片組之間提供了直接路徑。

輸入 PCI Express

2003 年，PCI-SIG 進(jìn)一步應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，推出了至今仍在使用的PCI Express 總線。PCIe 取代了所有主流 PC 總線，包括 AGP 接口。PCI-SIG 在 2001 年至 2003 年間制定了該標(biāo)準(zhǔn)，PCI 產(chǎn)品于 2004 年開(kāi)始發(fā)貨。

PCIe 總線與 PCI 總線有兩個(gè)重要的區(qū)別。它沒(méi)有使用共享總線主控拓?fù)?，而是采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)通過(guò)通用主機(jī)控制器直接連接設(shè)備。它還從并行數(shù)據(jù)路徑轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗虼袛?shù)據(jù)路徑。

PCI 中的共享總線與 PCIe 中的串行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)拓?fù)洹?/p>

使用舊的 PCI 和 ISA 總線主控拓?fù)?，一次只有一個(gè)外設(shè)可以訪問(wèn)總線。每個(gè)都根據(jù)需要協(xié)商主站狀態(tài)，等到它能夠獲得控制權(quán)，然后采取行動(dòng)。即使使用直接內(nèi)存訪問(wèn) (DMA)，也幾乎無(wú)法并行執(zhí)行。這些舊拓?fù)錆M足了 20 世紀(jì) 80 年代緩慢應(yīng)用程序的需求，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以滿足新千年出現(xiàn)的游戲、高速網(wǎng)絡(luò)或復(fù)雜圖形界面的需求。

為什么 PCIe 向前邁出了一大步

PCIe 不僅僅是一個(gè)物理插槽標(biāo)準(zhǔn)?？偩€的主力是拓?fù)?。PCIe 用于連接內(nèi)置外設(shè)、筆記本電腦和迷你 PC 的附加卡以及 SSD 存儲(chǔ)。Mini PCIe 使用相同的拓?fù)?、編碼和規(guī)格，并且與常規(guī) PCIe 電氣兼容。現(xiàn)在常見(jiàn)的M.2 SSD接口也采用PCIe拓?fù)洹?/p>

PCIe 的串行數(shù)據(jù)路徑使用單向差分對(duì)來(lái)提高信號(hào)完整性。雖然這些線對(duì)需要進(jìn)行長(zhǎng)度匹配才能消除偏斜，但每對(duì)的兩條跡線比 8、16 或 32 條跡線更容易處理。

差分信號(hào)走線的去偏技術(shù)

高速并行總線也可能受到串?dāng)_的影響，串?dāng)_是一種從一條走線到另一條走線的信號(hào)泄漏。這會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)損壞并限制帶寬。差分配對(duì)信號(hào)可消除大部分串?dāng)_并提供更清晰的信號(hào)。

PCIe 差分對(duì)的優(yōu)勢(shì)

PCIe的單向差分對(duì)由四根走線組成，作為每個(gè)方向的差分對(duì)。每組四個(gè)連接稱為一個(gè)通道，PCIe 插槽可支持 1 到 16 個(gè)通道。用于連接兩個(gè) PCIe 設(shè)備的通道組稱為互連或鏈路?，F(xiàn)代圖形加速器通常使用 16 通道插槽，有些需要兩個(gè)插槽和額外的電源連接。

差分對(duì)布置可加快傳輸速度并提高可靠性。在 PCIe 版本 1.0 和 2.0 中，數(shù)據(jù)以帶有兩個(gè)開(kāi)銷位的 8 位字傳輸，稱為 8b/10b 編碼。這意味著 20% 的傳輸比特是開(kāi)銷，而不是數(shù)據(jù)。PCI 3.0 將這一數(shù)字提升至 128b/130b 編碼，產(chǎn)生 98.5% 的數(shù)據(jù)率和 1.5% 的開(kāi)銷。這種編碼從 PCIe 1.0 到 5.0 一直保留，表示具有不歸零(NRZ) 格式的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。

PCIe 1.0 至 7.0：傳輸速度加倍

PCIe 1.0 每通道傳輸速度高達(dá) 2.5 GB/s，16 通道互連時(shí)最高傳輸速度為 4 GB/s。隨著協(xié)議和芯片制造能力的改進(jìn)，PCIe 2.0 使這一數(shù)字翻了一番。PCIe 3.0 從 8b/10b 提升到 128b/130b，速度幾乎翻倍至每通道 8 GB/s。此后的每個(gè)新版本的數(shù)據(jù)速率都增加了一倍。

2022 年推出的 PCIe 6.0 在編碼和協(xié)議方面帶來(lái)了重大變化，將速度提升至 64 GB/s。PCIe 6.0 從 NRZ 數(shù)據(jù)格式更改為脈沖幅度調(diào)制 4 級(jí)(PAM4) 信令。PAM 表示與 NRZ 中的一位相同單位間隔中的兩位，它給出四個(gè)值而不是兩個(gè)。這有效地用兩位值替換了二進(jìn)制位。PAM4 的錯(cuò)誤率要高得多，因此需要高級(jí)糾錯(cuò)。截至撰寫(xiě)本文時(shí)，使用此標(biāo)準(zhǔn)的卡尚未上市。

PCI-SIG 預(yù)計(jì)自 2022 年 6 月以來(lái)一直在開(kāi)發(fā)的 PCIe 7.0 將在 2024 年得到鞏固。該標(biāo)準(zhǔn)承諾通過(guò)微調(diào)通道參數(shù)來(lái)提高功率效率并減少信號(hào)損失，從而將 PCIe 6.0 數(shù)據(jù)速率提高一倍。PCIe 7.0 硬件要到 2027 年才會(huì)出現(xiàn)在市場(chǎng)上。

擴(kuò)展槽的日子已經(jīng)屈指可數(shù)了嗎？

20 年前的 PCIe 總線在當(dāng)今的 PC 世界中仍然可以辨認(rèn)，2004 年的主板設(shè)計(jì)人員也可能很容易認(rèn)出今天的 PCIe。然而，20年后情況可能并非如此。

當(dāng) PCIe 開(kāi)發(fā)時(shí)，USB 還處于起步階段。多種設(shè)備需要計(jì)算機(jī)中的插槽。那個(gè)時(shí)代的許多個(gè)人電腦仍然需要附加聲卡、調(diào)制解調(diào)器、網(wǎng)卡和無(wú)線接口。對(duì)于當(dāng)今的典型用戶來(lái)說(shuō)，這些應(yīng)用程序都不需要附加卡。雖然游戲圖形加速器、高端視頻和聲音處理設(shè)備以及奇異或特殊用途的產(chǎn)品仍然使用插入式 PCIe 板，但大多數(shù)家庭和商用 PC 和筆記本電腦都內(nèi)置了所有這些（以及更多）或可通過(guò)USB。

目前大多數(shù)筆記本電腦和迷你電腦除了 M.2 SSD 接口外不使用卡插槽。雖然人們?nèi)匀皇褂?PCIe 連接主板上的各個(gè)子系統(tǒng)，但使用許多擴(kuò)展插槽的日子可能已經(jīng)屈指可數(shù)了。

審核編輯：湯梓紅