PCIe

外围组件快速互连(通常称为 PCI Express 并缩写为“PCIe”)是一种高速计算机总线架构,它已经成为了几乎所有内部计算机组件连接的行业标准。

PCIe 使计算机的处理器和内存能够连接到其他组件和外围设备。PCIe 接口是一种高速串行传输接口,旨在替代包括 PCI 和 ISA(工业标准架构)在内的较旧并行总线架构。PCIe 使用点到点接入总线,与其上一代产品相比,它的数据传输速度明显提高。

在上世纪八十年代,早期的计算机总线架构以 CPU 和所有组件之间的并行数据通路为基础。

到九十年代后期,开发出了 PCIe 的上一代产品,集成了我们熟悉的将设备卡滑入主板上对应位置的外形因素。PCI 总线有 32 位和 64 位两种版本,而 AGP(加速图形端口)是专门针对带宽需求超过 PCI 总线所能提供带宽的图形控制器连接设计的。今天,这两种接口很大程度上已经被 PCI Express 所取代。

PCIe 有何意义?

到二十一世纪初,内部硬件和外围设备对计算带宽的需求使得下一代 PCI(称为 PCI Express 或 PCIe)应运而生。与传统 PCI 相比,PCIe 的最大优势在于它利用串行接口,而不是 PCI 架构中使用的并行接口。另一项优势是 PCIe 为每个连接的设备使用单独(而不是共享)的总线。

通过为需要多个通道的已连接设备使用多条通道,数据传输进一步得到了增强。由分配的数据端口连接数所定义,每增加一个通道(即从 1 个通道增加到 16 个通道),数据传输量就会对应增加。现在,在容量需求有要求的情况下,从 A 点前往 B 点的乘客可以同时乘坐多辆巴士(总线)。

随着 PCIe 作为实际标准被广泛接受和得以普及,各种各样的功能组件已采用了这一平台,其中包括 USB、蓝牙和视频卡。视频控制器和存储设备就是随着 PCIe 架构的出现而实现相应技术的例子。 我们在过去十年中所体验到的图形和计算机性能的改进就很好地印证了 PCIe 的优势。

PCIe 架构

与 PCI 相比,PCI Express 架构中的突破性技术大大提升了传输速率,并且 PCIe 的每个后续版本在此提升的基础上又继续取得了进步。传统 PCI 使用公共地址、数据和控制行,而 PCIe 的点到点拓扑为每个连接的设备提供单独的链路,从而避免了彼此相互制约的可能性。

PCIe 通信使用一种称为“报文”的数据传输模式。PCIe 端口的事务处理层执行数据封包和解包任务。这种 PCIe 与传统 PCI 在电信号方面的固有差异要求开发出截然不同的电子和连接器架构,这就使得 PCIe 插槽与 PCI 板卡不兼容。

PCIe 格式

已经针对 PCI Express 开发出各种各样的格式,每种格式都有略有不同的命名方式。了解这些 PCIe 格式在大小和版本方面指明的信息对于了解哪些扩展卡将适用(或者不适用)于您的系统而言至关重要.

PCIe 版本

自从 2002 年推出 PCIe 1.0 以来,为了满足对更多带宽和频率不断增长的需求,PCIe 一直在推出后续版本。对于总共 16 条通道的流量,PCIe 1.0 版的可用带宽只有不到 8GB/秒。PCIe 1.0 的频率为 2.5 GHz。随着每个新版本的推出,PCIe 的总带宽已经翻倍,而 2017 年推出的 PCIe 4.0 的频率已经增加到 16 GHz,同时带宽达到了 64GB/秒。将于 2019 年发布的 PCIe 5.0 将延续这种“翻倍”的惯例。连同性能改进一起,PCIe 的每个版本还提供了新的功能,并提高了能效。

基于这种为避免成为瓶颈而每隔几年带宽就翻倍的极高标准,在处理器速度和内存不断快速增加时,每次修订都会为设计人员带来新的挑战。串扰和电气不连续性可能会随带宽一起增加,因此新材料和设计的创新在不断挑战极限。

PCIe 大小

任何 PCI Express 板卡的大小以及针脚数由通道数和连接总数决定。所有 PCIe 版本都是如此。下面列出了可用 PCIe 大小及其对应的针脚数。

类型长度针脚数
PCI Express x125 毫米18 针
PCI Express x439 毫米32 针
PCI Express x856 毫米49 针
PCI Express x1689 毫米82 针

与 PCI 板卡不同,PCI Express 板卡可安装在任何尺寸的 PCIe 插槽中,只要插槽不小于板卡即可。这意味着 x1 扩展板卡可安装在 x1、x4、x8 或 x16 插槽中。同样的情况反过来也适用,举例来说,这意味着您可以将 x16 板卡安装在 x4 插槽中,但只有在插槽是配置为后档板打开的类型时,这种情况才适用。但是,在这种情况下带宽将受到限制,只有 x4 板卡的带宽。

可用于 PCIe 板卡的带宽是由 CPU 或主板 PCIe 控制器的版本所确定的,这意味着,如果控制器配置为 2.0 版,则 3.0 版的板卡将只能以 2.0 版板卡的带宽工作。

PCIe 的未来

PCI Express 不久的未来将由 2019 年即将发布的 PCIe 5.0 确定。PCIe 的这个新版本,就像其前一个版本一样,可将当前 4.0 版的可用带宽翻倍。除了性能升级外,PCIe 5.0 固有的物理差异将包括更短的键以及印刷电路板上集成的改进材料。PCIe 5.0 仍然向后兼容 PCIe 3.0 和 4.0。因此,主板和适配器板卡将无需立即升级。随着计算机硬件设计商和制造商不断将 PCIe 集成到其最新产品中,实际标准巩固的地位变得更加稳固。

计算能力和内存的增强在不断地以惊人的速度发展。到目前为止,PCI Express 总线已成功跟上了步伐,而差异正在缩小。在并不遥远的未来,与我们熟悉而可靠的总线相比,数据传输的创新可能看起来像是一个超回路,而且一定会是这样。可能没有任何其他计算机技术在满足速度和带宽需求时扮演如此重要的角色,因此,在可预见的未来,设计人员仍将动力十足,不断地在 PCIe 性能方面取得突破。