PCIe作为今朝PC系统中最首要的总线，从最初的1.0时代，成长到如今的6.0版本草案，履历了多次PC架构的演化，也带来了用户体验的一次次升级。如今，PCIe手艺成长到了一个对照要害的路口，跟着人们对带宽无尽头的需求，现有的PCIe手艺已经逐渐跟不上形势的成长，新的手艺事实该怎么走，带宽是否还能持续翻倍成长呢？这一切，值得视察和思虑。
带宽严重不足
需要新手艺的PCI、AGP时代
1992年6月22日，英特尔发现了名为外部链接尺度也就是Peripheral Component Interconnect的接口规范，缩写为PCI。PCI接口的特征在于采用的是并行传输体式，凭据保持的数据宽度和频率分歧，可以达到分歧的数据传输速度。PC中使用的PCI主流尺度有两种，都采用32bit带宽，频率离别为33MHz和66MHz，带宽离别是133MB/s和266MB/s。
▲英特尔440BX主板，白色的接口是PCI接口。
PCI的带宽有限，对日益强悍的GPU等高机能单元来说逐渐成为了瓶颈。是以，基于PCI的手艺又成长出了AGP等专用于图形卡的总线接口尺度。AGP依旧是并行传输数据，考虑到插槽长度的问题，依旧采用了32bit的接口，然则采用多倍数传输数据的体式，频率从66MHz起跳，最终达到533MHz（实际物理传输频率依旧是66MHz），数据带宽最大可达2133MB/s。
▲Radeon 9550 AGP版本，AGP 8x的带宽最高为2133MB/s。
PCI和AGP等接口带来了2000年摆布PC市场的繁荣。跟着系统机能进一步提拔，对带宽要求越来越大。此时PCI和AGP的劣势逐渐展现了出来。实际上，PCI或AGP如许的并行传输手艺，无法在其时的手艺前提下带来机能的进一步提拔。原因也很简洁，PCI或许AGP如许的并行传输手艺带宽来自于两个要害参数：位宽和频率。
▲英特尔915P主板，首款支撑PCIe的产物。
32bit位宽在其时工艺下和插接口尺寸相关，很难在寸土寸金的主板上采用更大的好比64bit位宽（这一点仅在办事器主板采用的PCI-X插接口上实现了）。同时频率受制于并行发送多个数据难以同步，高频率数据轻易蒙受干扰以及主板制造成本等问题也几乎卡在了66MHz摆布。是以，并行的PCI接口需要彻底改变才能适应将来的带宽成长规划。
▲PCI-X接口的网卡，可见PCI-X接口的长度差不多是PCI接口的2倍。
终于在2001年8月3日，非营利组织PCI-SIG召集了九大厂商，包罗英特尔、AMD、惠普、康柏、博通、IBM、微软、德州仪器和凤凰科技等，进行投票表决，并全票经由了新总线尺度的相关和谈，随后这个尺度就被正式定名为PCI Express，也就是我们今天看到的PCIe总线尺度。
▲分歧尺寸的PCIe接口
强悍“身板”
PCIe的手艺根蒂
在演进到PCIe之后，整个较量机架构的成长可谓走上了快车道。在这一部门，本文将解读PCIe的手艺根蒂以及它为什么可以在10多年之后依旧拥有壮大的生命力。
从概念上来说，PCIe总线架构实际上是旧的PCI总线的高速串行替代产物，其最大的不同在于总线的拓扑构造：PCI总线使用的是共享并行总线架构，所有的PCI主机和所有的设备共享一组通用的地址、数据和掌握线。PCIe基于点对点的拓扑构造，零丁的串行链路将每个设备保持到host（root complex），因为其共享式总线拓扑构造，是以采用的是仲裁体式接见，单个偏向上一次只许可一个主设备存在。
在数据传输方面，旧的PCI时钟方案采用的是总线上最慢的设备频率作为基准数据传输频率（不管有几多设备，也不管其他设备的情形若何），是以整体传输效率会被较慢的设备拉低。鉴于此，在传统的PCI-AGP系统中，AGP总线需要零丁的掌握器才能接见和掌握，并和通用的PCI链路彻底隔离。如许显然增加了系统的复杂水平。
比拟之下，PCIe改用了全新的随意两个端点的全双工通信，同时对多个端点的并发接见没有限制，系统只需要保留一个或许数个多通路的PCIe掌握器，就能够实现对分歧带宽需求的设备进行掌握。好比显卡需要PCIe x16，SSD需要PCIe x4，声卡需要PCIe x1，这些设备都能够挂接在一个PCIe掌握器上，互相之间也不会受到影响。
在总线和谈方面，PCIe的通信数据使用了特别的数据包封装，打包息争包数据以及状况新闻流的工作由PCIe的端口事物层处理，不需要CPU的过问。此外，PCIe总线在链接配对方面存在极高的天真性。两个设备之间的PCIe链路能够在x1和x32之间自由更改，此时吞吐量将跟着链路更改而更改。
在实际工作中，链路之间的通道数量能够在设备初始化时代主动协商保持，能够采用最低链路的设备规格，也能够采用其他规格。举例来说，能够将只支撑PCIe x1的设备插入PCIe x4或许x16的插槽中，初始化时将主动设置为最高可互相支撑的物理链接通道数。反之，也能够自行设置较少的通道数，如许可以在设备显现坏道或许弗成靠通道时供应容错性。
旌旗方面，PCIe划定了每一个通道中包含两组差分旌旗对，个中一对差分旌旗用于领受数据，此外一对差分旌旗用于发送数据。是以每个PCIe通道都需要4条线缆或许旌旗迹线。一样来说，人们对这种同时能够收发的信息通道称作“全双工”信息传输通道。每次传输、链路端点之间的两个偏向上都邑传递8位字节花样的数据包。采用串行信息的优势在于，每个通道的每个偏向只有一个差分旌旗，而且嵌入了时钟信息，这使得整个系统的抗干扰能力大大增加，而且频率极限被提拔至千兆赫兹。
PCIe的初始尺度界说了七种链路宽度，对应七种分歧的物理插槽规格。这七种链路规格的通道数量离别为1组、2组、4组、8组、12组、16组和32组，对应的标识离别采用x1、x2、x4、x8、x12、x16和x32，分歧规格的链路也和响应长度的物理插槽规格相成家。一样来说，x16插槽是最常见的插槽规格，它用于接驳显卡或许万兆收集、超高速SSD等高机能高带宽设备。x32的插槽不太多见，往往用于办事器或许特别场合。
值得一提的是，因为PCIe规范的天真性，人们往往设计智能切换方案来进行插槽链路设置，而不再需要和物理链路规格绑定。举例来说，一个x16的PCIe链路，能够同时面向一个x16规格的物理插槽和一个x4规格的物理插槽。
当x4物理接口没有插入任何设备时，在优先级设置规范的指引下，PCIe链路将悉数分派给x16的物理插槽；当x4规格接口插入设备后，PCIe链路能够凭据设置需要，分派x12或许x8的链路给原本为x16的物理插槽，新的x4接口能够在不启用和获得x4带宽之间自由选择。
除了上述传输方面的设计外，PCIe在电源方面也作出了增强。凭据PCIe规范，PCIe设计了数个专用的+12V和+3.3V引脚，最大可供电能力为75W，这个供电能力已经完全能够知足大部门通俗设备的需求了。不外在实际使用中，受制于主板设计、PCB设计以及系统供电等原因，PCIe插槽的供电能力有或者达不到75W，各家厂商也会在响应的产物中予以解说。
▲显卡所使用的6pin、8pin供电尺度也是PCIe规范所界说的。
1.0~3.0时代
PCIe锋芒尽显
初始时代：PCIe 1.0尺度小试牛刀
PCIe 1.0a在2003年由PCI-SIG正式推出相关规范。PCIe 1.0a的每通道运行频率为250MHz，响应的数据传输速度为250MB/s，不外更正规的写法被写成2.5GT/s，也就是每秒2.5千兆次传输。这里需要注重的是，PCIe的每通道数据是打包传输的，个中不只包罗需要传递的方针数据，还包罗校验信息。
PCIe 1.0a实际传输10bit的信息，个中2bit为校验信息，只有8bit为真正有效的信息，其传输带宽开销为20%，是以实际的有效信息传递能力为每通道200MB/s。不外，初始的PCIe 1.0a版本在发布后很快就被更新的PCIe 1.1规范替代。比拟之前的1.0a版本，PCIe 1.1版本增加了一些功能和不乱性设计，带宽和要害性指标完全沟通，是以一样将其统一归为PCIe 1.x时代。
支撑PCIe 1.x规范的首款芯片组为英特尔在2004年6月发布的915P芯片组，支撑的处理器为Pentium 4、双焦点的Pentium D以及面向顶级玩家的Pentium XE，首款支撑PCIe手艺的显卡为AMD Radeon 9550的PCIe版本。此时的主板芯片组还尚未住手对PCI接口的支撑，PCIe在此时首要用于缓解显卡和CPU之间的通信带宽不足，而芯片组的其余部门扩展接口或多或少都拥稀有个PCI插槽。
▲首款支撑PCIe规范的Radeon 9550显卡，注重其和AGP接口的不同。
从数据上来看，比拟AGP x8的2133MB/s的接口带宽，为显卡预备的PCIe 1.x x16的接口单向带宽达到了4GB/s，双向带宽更是高达8GB/s，单向带宽就比拟AGP x8根基翻倍。不外，因为其时的显卡自己机能较弱，再加上并非为PCIe高带宽设计等身分，在几乎沟通规格的AGP x8接口和PCIe 1.0 x16的机能对比中，PCIe 1.0 X16并没有带来雷同于带宽翻倍那样显著的3D机能提拔，两者机能差距并不大。
作为初代产物，PCIe在此时展示的是强悍的扩展能力和几乎无尽的潜能。此外，市场上还存在大量AGP接口的GPU芯片，为了知足PCIe设备的需要，ATI和英伟达还设计了分歧的桥接芯片来对GPU的数据接口规格进行转换，并激发了一系列市场竞争的故事，好比有名的“有路何须修桥”就是由ATI提出，所谓原生PCIe接口显卡更有优势的市场宣传标语。
▲英伟达的GeForce 6600GT新版来源生支撑PCIe接口，然则为了支撑AGP市场，不得不采用双向桥接芯片转换成AGP接口，散热器下方的为桥接芯片。
PCIe 1.x时代持续的时间从本代实际产物上市（英特尔915P，2004年6月）到新一代实际产物上市（PCIe 2.0，英特尔X38，2007年8月）大约持续了3年多，接下来登场的就是长命命的PCIe 2.0。
PCIe 2.0金瓯无缺
PCIe 2.0规范发布于2007年1月，其规范首要转变在于比拟PCIe 1.x，PCIe 2.0的每通道频率翻倍来到了500MHz，响应的传输能力翻倍，达到了500MB/s，也就是5GT/s，不外数据编码依旧使用了8bit/10bit的体式，也就是依旧需要使用20%的校验带宽。即使如斯，PCIe 2.0在典型应用好比PCIe x16接口的单向带宽也达到了8GB/s，双向带宽更是达到了16GB/s。
除了带宽暴增外，PCIe 2.0还带来了不少新的手艺，包罗新增的输入输出虚拟化手艺，能够让多台虚拟机共享PCIe设备；PCIe线缆子规范还到场了铜缆保持方案，每条线缆速度都能够达到2.5Gbps，知足高速收集保持的需求；此外还到场了动态链路治理和链路宽度治理以及电源掌握等多项功能，持续完美着PCIe的手艺和生态系统。
首款使用PCIe 2.0手艺的芯片组是英特尔2007年8月发布、面向顶级玩家的X38芯片组，AMD也推出了AMD 790FX与之呼应。首款支撑PCIe 2.0手艺的显卡是英伟达的GeForce 8800GT，在此之后，AMD的Radeon HD 3800等一多量显卡都到场了PCIe 2.0规范。
▲英特尔X38芯片组是第一个支撑PCIe 2.0的产物
▲GeForce 8800GT是首款支撑PCIe 2.0的显卡
比拟PCIe 1.x尺度而言，PCIe 2.x的寿命是非常长的，从2007年8月实际产物发布起头，一向到接近4年半后的2012年4月，跟着新的处理器上市，PCIe 3.x的实际产物才起头登台表态，并逐渐替代PCIe 2.x。即使到如今，也有不少市售主板依旧采用PCIe 2.x的设备和接口。
▲PCIe 2.0手艺寿命非常长，今朝市场主流的AMD B450芯片组依旧在供应对PCIe 2.0手艺的支撑。
锋芒尽显：PCIe 3.x时代光降
PCI-SIG在发布PCIe 1.x和PCIe 2.0相关手艺尺度时都对照顺利，没有碰到太多的手艺难题。然则在PCIe 3.0上，PCI-SIG碰到了好多手艺难题。PCIe 3.0的预览规格早在2007年就公布了（正好是PCIe 2.0发布后没多久），然则实际的首个版本PCIe 3.0规范在三年后的2010年11月18日才推出。
PCIe 3.0碰到的难题首要来自工程实现。PCIe旌旗在传输中采用的是铜介质，铜介质实际上是有其物理传输频率上限的，今朝的手艺估量其物理上限大约在12GT/s。在PCIe 3.x规范研发之初，业内有新闻称新的PCIe的传输频率会在PCIe 2.x的根蒂上持续翻倍，来到大约1GHz的水平，传输速度为10GT/s的水平。
不外在其时的手艺前提下，人们发现纯真的频率翻倍难以实现，包罗响应保持器件的设计和线路结构都面临难题，成本也或者大幅度上升。作为一个普适性的尺度而言，如许的情形让人难以接管。不外，最终手艺人员采用了巧妙的手段避开了频率翻倍的问题。
PCIe 3.0的最终尺度采用的是800MHz的运行频率，其数据传输速度为8GT/s，比拟之前的PCIe 2.0提拔了60%，并未翻倍。然则在数据校验方面，PCIe 3.0的校验不再采用8bit/10bit的小包校验体式，转而采用了全新算法的128bit/130bit大包校验体式，以及全新的硬件加扰息争码模块等，其校验带宽开销从之前的20%大跌至1.54%，甚至几乎能够忽略，极大地提拔了有效数据的传输带宽。如许一来，PCIe 3.0不需要翻倍传输速度就可以达到实际带宽根基翻倍的目的。
不外问题还没有竣事，即使是采用8GT/s的数据传输速度，PCI-SIG组织也猜忌其时的手艺难以完成。为此，PCIe 3.0规范到场了一些增加旌旗指令，以及对数据完整性的优化，包罗发送器和领受器以及拓扑构造等，再加上从新优化的PLL、数据通道等。但这还不敷，PCI-SIG还进行了为期六个月的手艺剖析，包罗现有低成本材料是否可以知足PCIe 3.0高带宽的需求等，好在最终一切顺利。
最终完成的PCIe 3.0尺度每通道带宽为985MB/s，在PCIe x16带宽下可以达到15.7GB/s的水平，比拟之前的PCIe 2.x根基做到了翻倍。此外，PCIe 3.0尺度的更新版本PCIe 3.1在2014年11月发布，到场了包罗电源治理、机能优化和功能拓展等多项改变，当然素质的数据传输能力没有转变。
▲AMD HD 7970是首款支撑PCIe 3.0手艺的显卡
因为PCIe 3.0的研发碰到了一些难题，是以PCIe 3.0的相关产物推出也对照晚。在处理器端支撑PCIe 3.0的首款产物是英特尔第三代酷睿处理器，典型产物包罗Core i7-3770，发布于2012年第二季度，搭配芯片组为英特尔6系列，包罗Z68、P67等，不外CPU供应的PCIe 3.0 x16链路首要用于显卡，其他设备根基无缘。主板方面，支撑PCIe 3.0的产物就要晚好多了，直到2015年9月英特尔发布100系列芯片组，其他设备才有幸使用到PCIe 3.0的带宽。
▲Core i7-3770处理器带来了PCIe 3.0手艺，不外主板上其他接口使用PCIe 3.0手艺还要比及2年后。
从今朝的产物和应用角度来看，PCIe 3.0依旧是当下的主力数据传输接口，尤其是对显卡、SSD、高端万兆网卡等设备来说，PCIe 3.0的显现和应用，解放了历久以来对这些产物在带宽方面的约束，大幅度鞭策了产物的成长速度。尤其是SSD，在使用了相关PCIe规范的NVMe接口后，有效改善了电脑启动、存储数据时间长的不足。
在PCIe 3.0之后，人们又将目光瞄向了4.0时代。那么， PCIe 4.0到PCIe 6.0是如何成长的呢？更多后续内容详见《微型较量机》2019年8月上刊。
对PCIe 4.0~6.0成长情形感乐趣的读者请给我们留言，人人有乐趣我们会持续放出后续内容。
