1、第12章總線技術M/ 微型計算機原理與接口技術第5版12.3 PCI Express總線進入21世紀后，基于網絡的音、視頻數據流、游戲等多媒體應用十分廣泛，PCI2.2或PCI-X不支持時間序列數據流，頻寬也不足，運行中常出現堵塞，PCI總線已無法滿足要求，性能更好的PCI-E總線應運而生。12.3 PCI-E總線12.3.1 PCI-E 1.012.3.2 PCI-E 2.012.3.3 PCI-E 3.012 .3.4 PCI-E的未來12.3.1 PCI-E 1.01.PCI Express 1.0規范2019年7月PCI Express 1.0標準誕生，簡寫成PCI-E、PCIE或PC

2、Ie。Express意為高速、特別快。它屬第三代I/O總線，簡稱3GIO（Third Genera-tion Input/Output）。標準由AWG(Arapahoe Working Group)小組制定，又稱Arapahoe總線。它是延續到現在而長盛不衰的新一代總線標準。1.PCI Express 1.0規范PCI-E有1、4、8和16等4種通道規格，而2用于內部接口。它們代表不同信道數量和路徑寬度，即不同傳輸速度，1速度250MB/s，16是1的16倍，即4GB/s。4種通道的插槽長度不一樣，短卡可插入長插槽。常用1、4和16三種插槽。也可寫成1 、4等。2.PCI-E標準的優勢PCI-

3、E吸取了PCI的精華，并增加了不少先進技術。主要優勢：1）采用P2P（點對點）串行傳輸機制 從并行到串行是PCI-E最根本的變化。各設備可并發地與CPU通信并獲得最大帶寬，互不影響，不會爭搶帶寬，能支持多種傳輸速率。2）工作頻率非常高 PCI總線頻率33/66MHz，AGP最高頻率533MHz，而PCI-E基礎總線頻率100MHz，可由鎖相環提高到2.5GHz。2.PCI-E標準的優勢3）支持雙向傳輸模式，可運行于全雙工模式 PCI每周期發送1個數據，PCI-E每周期的上行、下行都能傳輸數據，使帶寬翻倍。4）支持數據分通道傳輸 1、4、8、16規格使帶寬翻番上漲。5）加強了質量控制措施 引入了

4、服務質量(QoS)、電源管理(Power Mana-gement)、數據完整性(Data Integeriy)、熱插拔(Hot Swap)等多種技術，保障傳輸質量。2.PCI-E標準的優勢6）供電能力提高到了75W AGP插槽是35W，75W足夠為多數顯卡供電。7）支持+3.3V、+3.3Vaux和+12V三種電壓 輔助電源+3.3Vaux能在系統掛起時提供小電流。8）與原有PCI兼容 PCI-E只是南橋的擴展總線，與操作系統無關，能與PCI共存，便于用戶升級。9）與PCI軟件100兼容，無需驅動和操作系統的支持即可使用3.PCI-E的應用通用性是PCI-E最大特點，除用于南橋和其它設備的連接

5、，還可用于芯片組間的連接，甚至連接圖形芯片。這樣，I/O系統被重新統一，更簡化計算機系統，增加其可移植性和模塊化。PCI-E很快成為主流總線。它超高的帶寬極大地釋放了顯卡的運算能力，顯卡總線AGP沒了用武之地，I/O總線和顯卡總線又重新統一到了PCI-E總線上。3.PCI-E的應用PCI-E成為新式圖形架構，能提供巨大帶寬和豐富功能，大幅提高CPU和GPU(圖形處理器)間的帶寬，用戶能更完美享受影院級圖像效果，并獲得無縫多媒體體驗。采用PCI-E總線的計算機，廣泛應用于基于互聯網流媒體的在線直播、視頻會議系統、VOD點播、遠程監控、遠程教學、DVD制作、硬盤播出、廣告截播、媒體資產管理等領域。

6、PCI-E 1接口的插座和金手指PCI-E 1接口的顯卡PCI-E 16接口的顯卡帶PCI-E 1，4，16插槽以及PCI插槽的主板4.ExpressCard技術2019年春，PCMCIA協會公布了ExpressCard標準。據此設計的模塊可插入臺式機和筆記本，來添加存儲器、有線或無線通訊卡及安全裝置等。它采用PCI-E總線和USB2.0接口，在外設與主機間提供熱插拔式連接，在芯片組與插槽間不需要橋接芯片。接著又發布了ExpressCard 2.0，與PCI-E及USB 3.0結合，提供多方面應用模式，解決大吞吐量數據的傳輸瓶頸。這項技術使臺式機與筆記本共享更多外設，可在兩類計算平臺間自由插拔

7、和交換。ExpressCard適配卡12.3 PCI-E總線12.3.1 PCI-E 1.012.3.2 PCI-E 2.012.3.3 PCI-E 3.012 .3.4 PCI-E的未來12.3.2 PCI-E 2.02019年1月PCI Express 2.0標準發布。總線頻率從2.5GHz提高到了5GHz，其它指標也翻了一倍。例如:帶寬翻倍：單通道PCI-E 1的帶寬提高到了500MB/s，即雙向1GB/s。通道翻倍：顯卡接口標準升級到PCI-E 32，通道數提高了一倍，帶寬達32GB/s。插槽翻倍：芯片組/主板默認應擁有兩條PCI-E 32插槽。功率翻倍：PCI-E1.0提供75W電力

8、，2.0版可達200W以上。這樣，顯卡等功耗大的插卡，就不需要再帶電源適配器了。12.3.2 PCI-E 2.0在PCI-E信號編碼中加入了校驗碼，采用8b/10b編碼。雖浪費20%帶寬，但可減少傳輸錯誤，保證高速傳輸的一致性。每10位編碼中只有8位是真實數據，不能用18進行位字節的單位換算，要用110。USB3.0和SATA3.0采用同樣的校驗碼技術。例如USB3.0速度5Gbps，按18換算，5Gbps/8=625MB/s；考慮進校驗碼后，5Gbps/10=500MB/s。SATA 3.0的速度6Gbps，即600MB/s，而非750MB/s。12.3.2 PCI-E 2.0串行PCI-E

9、帶寬的計算： 帶寬（MB/s）=總線頻率（MHz）每周期數據位（b）總線通道數編碼方式/8 （12.3） 例12.2 試計算PCI-E2.0 16插槽的傳輸總帶寬。 PCI-E2.0 16插槽總線頻率5GHz，全雙工模式下每個周期可傳輸2bit數據，共有16條通道，采用8/10編碼，每8位為1字節，代入公式(12.3)可算出其傳輸總帶寬: 5000216(8/10)/8=16000MB/s=16GB/s12.3 PCI-E總線12.3.1 PCI-E 1.012.3.2 PCI-E 2.012.3.3 PCI-E 3.012 .3.4 PCI-E的未來12.3.3 PCI-E 3.02019年

10、11月，PCI-E3.0規范發布。目標依然是“提速”。它向下兼容PCI-E2.0和PCI-E1.0，與PCI-E2.0比較，性能提高了一倍，總線頻率從5GHz提高到了8GHz，顯著提高了總線帶寬，32端口的雙向傳輸速率高達32Gbps。12.3.3 PCI-E 3.0提高帶寬的可能方法：1）提高運行頻率 曾設想將總線頻率提高一倍到10GHz。但是10GHz基本是銅質線纜的速度極限了，要在電氣設計方面下很多功夫，技術難度太大，實現成本很高。2）增擴通道數 PCI-E2.0的32通道應用很少，增擴到64通道的必要性不大，主板插槽和顯卡接口都得重新設計。12.3.3 PCI-E 3.03）修改編碼方

11、式 PCI-E采用8b/10b編碼來提高數據傳輸可靠性，20%帶寬不用于數據傳輸，主要是為平衡電流信號。在帶寬較低時影響不大，帶寬變高，浪費就會很明顯。為此，PCI-E3.0將編碼方式改成了128b/130b，每130位數據中，才加入2位無用信息，通道利用率大大提高，傳輸效率98.5%。8b/10b編碼傳輸效率僅80%，傳輸效率提升了23%。此外，總線頻率從5GHz提高到了8GHz。這是對制造難度、成本、功耗、復雜性和兼容性等諸多方面進行綜合、平衡之后的結果。12.3.3 PCI-E 3.0例12.3 試計算PCI-E3.0架構下的16通道的帶寬。PCI-E3.0規范下的16通道的最高總線頻率

12、為8GHz，即8000MHz，全雙工模式下每個周期可傳輸2位數據，共16條通道，采用128/130編碼，每8位為1字節，把它們代入公式（12.3），就可計算出傳輸總帶寬8000216(128/130)/8 =31500MB/s=31.5GB/s32GB/s 而PCI-E2.0的16通道帶寬是16GB/s。可見，雙管齊下，使得PCI-E3.0的帶寬再次翻倍，實現了預期目標。12.3.3 PCI-E 3.0PCI-E3.0的其它增強之處 包括數據復用指示、原子操作（執行時不能被中斷的操作）、動態電源調整機制、延遲容許報告、寬松傳輸排序、基地址寄存器（BAR）大小調整、I/O頁面錯誤等。向下兼容PC

13、I-E2.x/1.x，繼續支持2.5GHz、5GHz的信號機制。12.3.3 PCI-E 3.0表12.2是三個版本的PCI-E的傳輸帶寬比較。 可見，PCI-E3.0架構的單信道（1）單向帶寬就可接近1GB/s，而16信道（16）的雙向帶寬達到了32GB/s。12.3.3 PCI-E 3.0Intel首先將PCI-E3.0用于X79芯片組和基于Sandy Bridge處理器的服務器上。2019年1月，AMD公司推出了首款支持PCI-E3.0的高檔顯卡AMD Radeon HD7970，隨后又發布了HD7950、HD7800系列顯卡，均對PCI-E3.0提供支持。NVIDIA下一代的開普勒顯卡

14、也將對PCI-E3.0規范提供全面支持。還用在下一代Infiniband互連（一種支持多并發鏈接的轉換線纜技術）、固態硬盤等需要超高吞吐量的領域。首款支持PCI-E3.0的高檔顯卡AMD Radeon HD7970微星Z68S-G43主板基于ATX板型，有2條PCI-E x16插槽(蘭)，其中PCI-E 3.0(右)和2.0各1條；2條PCI-E x1插槽；3條PCI插槽(黑)。12.3 PCI-E總線12.3.1 PCI-E 1.012.3.2 PCI-E 2.012.3.3 PCI-E 3.012 .3.4 PCI-E的未來12.3.4 PCI-E的未來與CPU和顯卡1至2年就要更換一代的

15、速度相比，系統總線發展得很慢。三十年來，只有ISA總線（1982年）、PCI總線（1992年）和PCI-E總線（2019年）是生命力最強的總線規范，每隔10年才更換一次架構。PCI-E總線在顯卡上的應用很成功，它更多是作為系統總線存在的，主板上PCI-E通道數量的多寡，是衡量主板性能的重要指標。12.3.4 PCI-E的未來PCI SIG表示正在研發PCI-E4.0，標準的技術指標會在PCI-E3.0基礎上翻一番，單通道單向傳輸速率16Gb/s，16通道雙向傳輸速率可達到512Gb/s，即64GB/s，預計20192019年制訂完成。銅質線的極限是10GHz，PCI-E4.0速度繼續翻倍，就需要更換材料，例如用光纖。下次升級將會給主板、顯卡以及CPU帶來新的挑戰。傳輸速率提高后，實現同樣帶寬所需的連接和針腳會更少，因此PCI-E4.0還能使成本降低。12.3.4 PCI-E的未來準備采用的其它創新技術：對PCI-E接口存儲設備進行優化，例如PCI-E固態盤和PCI-E RAID卡等，盡可能發揮PCI-E總線的低延遲優勢。開發PCI-E附加存儲(Attached Stora