标准大解析 三分钟带你认清PCI Express

正如一个都市的高速发展离不开宽阔的高速公路一样，PCI Express的一统天下无声地诉说着PC技术的高速发展……

从ISA到PCI，从AGP到PCI Express，板卡插槽接口的变迁在某种程度上可以说就等于一个微观版、局部版的PC发展史。在现今的主板上，PCI Express(可简写为PCI-E)插槽几乎做到了天下一统，曾经辉煌的PCI只不过是苟延残喘。PCI-E究竟有着怎样的魅力方能一统江湖？PCI-E x1、x16等不同的后缀又各自代表着什么意思呢？

带宽决定一切

从1985年至1996年之间的ISA与PCI接口到1997年至2003年之间的AGP接口，再到2002年正式问世的PCI-E，板卡插槽接口走过了一段漫长的岁月。几乎每一代插槽接口被取代和淘汰的理由有且只有一个—带宽无法满足显卡性能高速提升所带来的越来越严苛的需求。就好比一个城市的汽车保有量在成倍增长的情况下，但主干道却仍旧停留在多年前的双车道，拥挤的交通必然导致整个城市的瘫痪。

早在10余年前，PCI总线因为是并行总线架构，连接在PCI总线的所有设备共享这有可怜的133MB/s。在各种板卡产品数据传输量并不庞大的当时，PCI总线足以应付声卡、100Mbps网卡、USB 1.0/1.1转接卡以及电视卡等产品。

但随着PC技术的快速发展，尤其是各配件自身数据吞吐量的不断攀升，PCI已经无法应对高速设备的普及。而且正如前面所说，PCI总线属于共享并行总线，采用PCI接口的设备必须向总线申请带宽。打个比方来说，一条狭窄的公路在应对某一车队的单独请求时或许还能应付，但当多个设备同时需要传输大量数据的时候，多个车队同时要求上路，就会造成路况拥挤不堪。甚至对于PCI接口而言，即使是面对单一的1000Mb/s网卡或是IEEE1394b视频采集卡时，都可能会出现带宽不足的问题。

尽管针对特殊用途，根据PCI技术演变而来的PCI-X和AGP等高带宽或是具备独立通道的接口被推出，但这些接口因为成本原因以及使用上的限制(例如AGP接口仅针对显卡而设)，终无法成为各种板卡接口的通用标准。和不少其他PC硬件的接口发展历史很类似，当并行架构的PCI总线在高速发展的PC世界越来显孱弱，终沦为整个系统性能的瓶颈时，就必须由带宽更大、适应性更广、发展潜力更深的新一代总线取而代之，这就是PCI Express。

PCI Express问世

2001年春季IDF期间，Intel公司宣布将会开发第三代输入输出技术(3GIO，Third-Generation Input/Output)来取代现有的当时的局部总线技术(主要是指PCI接口)。包括Intel、AMD、DELL和IBM在内的20多家业界主导公司开始起草新技术的规范。同年8月份，PCI-SIG(PCI特殊兴趣小组)批准了代号为Arapahoe的3GIO标准。第二年的4月份，PCI-SIG和Arapahoe工作小组正式完成了3GIO的草案，并且将其正式命名为PCI Express，其中Express意指“高速”。2002年7月23日，PCI-SIG 正式公布了PCI Express 1.0规范。

表1：PCI-E各版本简单规格表

PCI Express与PCI总线不同，它属于串行总线，点对点传输，每个传输通道独享带宽。相比起PCI总线133MB/s的传输速度，PCI-E即使是单向单通道带宽的起始速率就达到了前者的两倍——250MB/s，双向传输带宽更可实现夸张的500MB/s。值得一提的是，PCI Express接口能够支持热拔插，也是个不小的飞跃。

表2： PCI-E各规格接口简单规格表

而到了2006年底，PCI Express 2.0更是在1.0版本基础上更进了一步，将传输性能翻了一番。

PCI-E 2.0相对于此前的1.0版本来说，做到了：1.带宽翻倍，将单通道带宽提高到了单向500MB/s，双向1GB/s；2.通道翻倍，用于显卡接口的通道从16个提升至32个，带宽可达32GB/s；3.插槽翻倍，芯片组/主板默认应该拥有两条32通道的PCI-E插槽；4.功率翻倍：PCI-E 1.1插槽所能提供的电力高为77W，2.0版本则提高至200W以上。

串行的魅力

PCI Express总线还支持双向传输模式和数据分路传输模式。其中数据分路传输模式即PCI Express总线的x1、x4、x8、x16和x32多通道连接(x2只是作为内部接口存在，而没有采用插槽模式)。对于很多新玩家而言，面对PCI-E x1、x4、x8、x16和x32等繁多的后缀可能会晕头转向，实际上，x1就代表着1个通道，x16则代表了16个通道。每种规格对应的插槽长短都有不同，简单一点可以说是数值越大的插槽长度越长，这从外观可以明显看出。而且，较短的PCI Express卡可以插入较长的PCI Express插槽中使用。此外，对于普通用户而言，目前我们接触的产品主要也只有PCI-E x1和PCI-E x16等少数几种接口的产品。

特别值得一提的是，PCI Express总线是一种完全不同于过去PCI总线的一种全新总线规范，与PCI总线共享并行架构相比，PCI Express总线是一种点对点串行连接的设备连接方式，点对点意味着每一个PCI Express设备都拥有自己独立的数据连接，各个设备之间并发的数据传输互不影响，而对于过去PCI那种共享总线方式，一旦PCI总线上挂接的设备增多，每个设备的实际传输速率就会下降，性能得不到保证。现在，PCI Express以点对点的方式处理通信，并不需要向整个总线系统请求带宽，每个设备在要求传输数据的时候各自建立自己的传输通道，对于其他设备这个通道是封闭的，这样的操作保证了通道的专有性，避免其他设备的干扰。这就好比PCI Express总线为城市中不同的车队专门设立了其独有的专属高速公路。

PCI-E x1接口的USB 3.0转接卡

PCI-E仍在高速进化中

早在2007年上半年PCI-E 2.0版规范刚刚公布的时候，PCI Express技术标准组织PCI-SIG就准备用两年多的时间将其快速进化到第三代，但不断的跳票现在已经结束。在对可制造性、成本、功耗、复杂性、兼容性等诸多方面进行综合、平衡之后，PCI-E 3.0规范将数据传输率提升到PCI-E 2.0的两倍，并保持了对此前版本的向下兼容。基于此，PCI-E 3.0架构单通道单向带宽即可接近1GB/s，16通道双向带宽更是可达32GB/s。PCI-E仍在以旺盛的生命力高速进化。