ci PCI Express - 讲解 2024

自1981年发布第一台PC以来，该团队已经拥有扩展插槽 ，可以在其中安装额外的卡以添加团队主板上不可用的功能。在讨论PCI Express端口之前，我们应该先讨论一下PC 扩展插槽的历史及其主要挑战，以便您了解PCI Express端口与众不同的原因。

内容索引

扩展插槽的类型

下面列出的是PC历史上最常见的扩展插槽类型：

ISA（标准工业体系结构）MCA（微通道体系结构）EISA（扩展工业标准体系结构）VLB（VESA本地总线）PCI（外围组件互连）PCI-X（扩展外围组件互连）AGP（加速图形端口）PCI Express（Express外围组件互连）

通常，当某些类型的可用插槽类型显示速度太慢时，会发布新类型的扩展插槽。例如，原始IBM PC和IBM XT PC及其克隆上可用的原始ISA插槽的最大理论传输速率（即带宽）仅为4.77 MB / s。

1984年与IBM PC AT一起发布的16位版本的ISA几乎使可用带宽翻了一番，达到8MB / s，但是即使在用于视频等高带宽应用程序时，这个数字也非常低。。

后来，IBM为其PS / 2计算机产品线发布了MCA插槽 ，并且由于受版权保护，其他制造商只有在与IBM签订许可计划后才能使用它，只有五家公司这样做（Tandy ，杏，戴尔，Olivetti和研究机器）。

因此，MCA插槽仅限于这些品牌的某些PC型号。九个PC制造商聚集在一起创建了EISA插槽 ，但这没有成功，原因有两个。

首先，它保持了与原始ISA插槽的兼容性，因此其时钟速率与16位ISA插槽的时钟速率相同。

其次，该联盟不包括主板制造商，因此很少有公司可以使用此插槽，就像使用MCA插槽一样。

发布的第一个真正的高速插槽是VLB 。通过将插槽链接到本地CPU总线（即外部CPU总线）可以达到最高速度。

这样，插槽以与CPU外部总线相同的速度运行，这是PC上最快的总线。

当时大多数CPU使用的外部时钟速度为33 MHz ，但也可以使用外部时钟速度为25 MHz和40 MHz的CPU。

该总线的问题在于它是为486类处理器的本地总线专门设计的。当奔腾处理器发布时，它与它不兼容，因为它使用了不同规格的本地总线（外部时钟频率为66 MHz）。而不是33 MHz，而是64位数据传输而不是32位）。

第一个行业范围的解决方案出现在1992年 ，当时英特尔领导行业创建了最终的扩展插槽PCI 。

后来，其他公司加入了该联盟，该联盟今天称为PCI-SIG （PCI特殊兴趣小组）。 PCI-SIG负责标准化PCI，PCI-X和PCI Express插槽。

什么是PCI Express端口

PCI Express是PCI-E或PCIe的缩写，是经典PCI总线的最新发展，并允许将扩展卡添加到计算机中。

它是本地串行端口，与PCI不同，后者是并行的，并由Intel在915P芯片组上首次于2004年推出。

我们可以找到各种版本的PCI Express总线。有版本1、2、4、8、12、16和32通道。

例如，一个8通道（x8）PCI Express系统的传输速度为2 GB / s（250 x8）。 PCI Express在1.1版中允许的数据速率为250MB / s至8GB / s。 3.0版允许每个通道1 GB / s（实际上为985 MB），而2.0版仅500 MB / s。

PCI Express端口有哪些功能？

该新总线用于将扩展卡连接至主板 ，并用于替换PC的所有内部扩展总线，包括PCI和AGP（AGP已完全消失，但传统的PCI仍然无法使用）。

PCI，PCI-X和PCI Express

顺便说一句，有些用户很难区分PCI，PCI-X和PCI Express（“ PCIe”）。尽管这些名称相似，但它们指的是完全不同的技术。

PCI是一种平台无关的总线，通过桥芯片（桥，它是主板芯片组的一部分）连接到系统。每次发布新CPU时，您都可以通过重新设计桥芯片而不是重新设计总线（这是创建PCI总线之前的标准）来继续使用相同的PCI总线。

尽管理论上可以使用其他配置，但PCI总线最常见的实现方式是使用33 MHz时钟和32位数据路径，从而实现133 MB / s的带宽。

PCI-X端口是PCI总线的一种版本，它以更高的时钟频率运行，并为服务器主板提供更宽的数据路径，从而为要求更高速度的设备（例如存储卡）提供了更高的带宽。高端网络和RAID控制器。

当PCI总线对于高端视频卡来说太慢时，就开发了AGP插槽 。该插槽专门用于视频卡。

最后，PCI-SIG开发了一种称为PCI Express的连接。尽管名称如此，PCI Express端口的工作方式与PCI总线完全不同。

不同的PCI Express总线

目前所有主板上都有一或两个副本，性能为250Mb / s的PCI Express 1x，性能为500Mb / s的PCI Express 2x扩展较少，只为服务器保留，性能为1000Mb的PCI Express 4x / s也保留给服务器使用。速度为4000Mb / s的PCI Express 16x非常广泛，存在于所有现代图形卡中，并且是图形卡的标准格式。PCI Express 32x端口的性能为8000 Mb / s与PCI Express 16x相同，并且通常用于高端主板上以为SLI或Crossfire总线供电。这些主板的参考文献经常提到“ 32”。与传统的SLI不同，这允许两个16通道有线PCI Express端口，以2 x 8通道或Basic Crossfire，以1×16 + 1×4通道进行布线。这些主板还具有一个额外的南桥，仅用于32x总线。

PCI-SIG在4.0版中发布了PCI Express，与3.0版相比，每通道提供了两倍的带宽。

此次审查包括通道边距，减少的系统延迟，出色的RAS功能，服务设备的扩展标签和信用，其他通道和带宽的可伸缩性，平台集成以及改进的I / O虚拟化。

PCI和PCI Express之间的区别

PCI是总线，而PCI Express是串行点对点连接，即，它仅连接两个设备。没有其他设备可以共享此连接。需要说明的是，在使用标准PCI插槽的主板上，所有PCI设备都连接到PCI总线并共享相同的数据路径 ，因此可能会出现瓶颈（即性能降低，因为更多设备要同时传输数据）。在具有PCI Express插槽的主板上，每个PCI Express插槽都使用专用通道连接到主板上的芯片组，而不与其他PCI Express插槽共享该通道（数据路径）。另外，主板上内置的设备（例如网络驱动器，SATA和USB）通常使用专用的PCI Express连接连接到主板芯片组。PCI和所有其他类型的扩展插槽都使用并行通信， PCI Express依赖于高速串行通信，而PCI Express端口则依赖于各个通道 ，这些通道可以组合在一起以创建更高带宽的连接。 PCI Express连接描述后的“ x”是指连接使用的通道数。

下面是PC 扩展插槽主要规格的比较表。

凹槽	钟表	位数	每个时钟周期的数据	带宽
伊萨	4.77兆赫	8	1个	4.77 MB /秒
伊萨	8兆赫	16	0.5	8 MB /秒
马华	5兆赫	16	1个	10 MB /秒
马华	5兆赫	32	1个	20 MB /秒
情报局	8.33兆赫	32	1个	33.3 MB /秒（通常为16.7 MB /秒）
VLB	33兆赫	32	1个	133 MB /秒
PCI接口	33兆赫	32	1个	133 MB /秒
PCI-X 66	66兆赫	64	1个	533 MB /秒
PCI-X 133	133兆赫	64	1个	1, 066 MB /秒
PCI-X 266	133兆赫	64	2	2, 132 MB /秒
PCI-X 533	133兆赫	64	4	4, 266 MB /秒
AGP x1	66兆赫	32	1个	266 MB /秒
AGP x2	66兆赫	32	2	533 MB /秒
AGP x4	66兆赫	32	4	1, 066 MB /秒
AGP x8	66兆赫	32	8	2, 133 MB /秒
PCIe 1.0 x1	2.5 GHz	1个	1个	250 MB /秒
PCIe 1.0 x4	2.5 GHz	4	1个	1, 000 MB /秒
PCIe 1.0 x8	2.5 GHz	8	1个	2, 000 MB /秒
PCIe 1.0 x16	2.5 GHz	16	1个	4, 000 MB /秒
PCIe 2.0 x1	5 GHz的	1个	1个	500 MB /秒
PCIe 2.0 x4	5 GHz的	4	1个	2, 000 MB /秒
PCIe 2.0 x8	5 GHz的	8	1个	4, 000 MB /秒
PCIe 2.0 x16	5 GHz的	16	1个	8, 000 MB /秒
PCIe 3.0 x1	8 GHz	1个	1个	1, 000 MB /秒
PCIe 3.0 x4	8 GHz	4	1个	4, 000 MB /秒
PCIe 3.0 x8	8 GHz	8	1个	8, 000 MB /秒
PCIe 3.0 x16	8 GHz	16	1个	16, 000 MB /秒

PCI Express端口上的数据传输

PCI Express连接代表了外围设备与计算机通信方式的非凡进步。

它在很多方面与PCI总线不同，但是最重要的是数据的传输方式。

PCI Express连接是将数据传输从并行通信迁移到串行通信的趋势的另一个例子。使用串行通信的其他常见接口是USB，以太网（网络）以及SATA和SAS（存储）。

在PCI Express之前，所有PC总线和扩展插槽都使用并行通信 。在并行通信中，几个位同时在数据路径中并行传输。

在串行通信中 ，每个时钟周期在数据路径中仅传输一位。首先，这使并行通信比串行通信更快，因为一次发送的位数越多，通信速度就越快。

但是，并行通信存在一些问题，这些问题阻止了传输达到更高的时钟速度。时钟越高，电磁干扰（EMI）和传播延迟的问题就越大。

当电流流过电缆时，电缆周围会产生电磁场。该场会在相邻电缆中感应出电流，从而破坏其传输的信息。

正如我们之前讨论的那样，每个并行通信位都是通过单独的电缆传输的，但是几乎不可能使这32条电缆在主板上的长度完全相同。在较高的时钟速度下，通过较短电缆传输的数据比通过较长电缆传输的数据更早到达。

也就是说，并行通信中的位可能会延迟到达。结果，接收设备必须等待所有比特到达，以便处理完整的数据，这意味着性能上的重大损失。这个问题被称为传播延迟，并且随着时钟频率的增加而加剧。

与使用并行通信的总线相比，使用串行通信的总线的项目更易于实现，因为传输数据所需的电缆更少。

在典型的串行通信中，需要四根电缆：两根用于传输数据，两根用于接收，通常使用称为抵消或差分传输的抗电磁干扰技术。在取消的情况下，同一信号在两条电缆上传输，而第二根电缆与原始信号相比传输“反射”信号（极性相反）。

除了提供更大的抗电磁干扰能力外， 串行通信也不会受到传播延迟的影响。这样，与并行通信相比，它们可以更轻松地获得更高的时钟频率。

并行通信与串行通信之间的另一个非常重要的区别是，并行通信通常是半双工的 （使用相同的电缆来发送和接收数据），这是因为实现并行通信需要大量的电缆。

串行通信是全双工的 （有一组单独的电缆用于传输数据，另一组电缆用于接收数据），因为每个方向只需要两条电缆即可。使用半双工通信时，两个设备无法同时通话。一个或另一个正在传输数据。通过全双工通信，两个设备可以同时传输数据。

这些是工程师采用串行通信而不是与PCI Express端口并行通信的主要原因。

串行通讯较慢吗？

这取决于您要比较的内容。如果比较每个时钟周期发送32位的并行33 MHz通信，它将比一次仅发送一位的33 MHz串行通信快32倍。

但是，如果将相同的并行通信与以更高时钟频率运行的串行通信进行比较，则串行通信实际上可以更快。

只需比较原始PCI总线的带宽（133 MB / s（33 MHz x 32位））与PCI Express连接可以实现的最低带宽（250 MB / s，2），5 GHz x 1位）。

串行通信总是比并行通信慢的概念来自具有端口“串行端口”和“并行端口”的老式计算机。

那时，并行端口比串行端口快得多。这是由于这些端口的实现方式。这并不意味着串行通信总是比并行通信慢。

插槽和图形卡

PCI Express规范允许插槽具有不同的物理尺寸，具体取决于连接到插槽的通道数量。

这样可以减小主板上所需空间的大小。例如，如果需要使用x1连接的插槽，则主板制造商可以使用较小的插槽，从而节省了主板上的空间。

许多主板都有x16插槽，这些插槽连接到x8，x4甚至x1导轨。对于较大的凹槽，重要的是要知道它们的物理尺寸是否真正符合其速度。同样，某些计算机在共享通道时会减慢速度。

最常见的情况是在具有两个或更多x16插槽的主板上。对于多块主板，只有16条通道将前两个x16插槽连接到PCI Express控制器。这意味着，当您安装单个视频卡时，它将具有x16可用带宽，但是当您安装两个视频卡时，每个视频卡将具有x8带宽。

主板手册应提供此信息。但是一个实用的技巧是查看插槽内部，以查看您有多少个联系人。

如果您在PCI Express x16插槽中看到的触点减少了应有的一半，这意味着尽管该插槽实际上是x16插槽，但实际上有八个通道（x8）。如果在同一插槽中看到的触点数量减少到应有的数量的四分之一，则您看到的x16插槽实际上只有四个通道（x4）。

重要的是要了解并非所有主板制造商都遵循此步骤；即使插槽连接到较少数量的通道，有些仍会使用所有触点。最好的建议是检查主板手册以获取正确的信息。

为了获得最大的性能，扩展卡和PCI Express端口必须具有相同的版本。如果您具有PCI Express 2.0视频卡并将其安装在具有PCI Express 3.0端口的系统上，则将带宽限制为PCI Express 2.0。在装有PCI Express 1.0控制器的较早系统中安装的同一视频卡将限于PCI Express 1.0的带宽。