PCIE二十年：总线的过去、现在和未来

在 PCI Express 诞生 20 周年之际，我们回顾一下这一盛行的扩展插槽的过去和未来。

PCI Express (PCIe) 总线诞生于 PC 中的扩展插槽数量与 CPU 时钟速度或系统 RAM 数量同等重要的时代。此后，PCIe总线从一组插槽、插入式扩展卡发展到高速互连拓扑。

最新的 SSD（固态硬盘）接口是 PCIe 4.0、M.2 外形尺寸的四通道接口。

PCIe 总线起源于 1981 年推出的IBM PC 型号 5150。5150 的热门前身（例如 Apple II）使用开放标准总线或发布了第三方扩展板的总线规范。这种竞争压力促使 IBM 开放 5150 总线并发布其规范。

在 IBM 的支持下，整个行业都是围绕为 IBM PC 总线设计和提供扩展卡而建立的。IBM 的第二个 PC 型号 PC/AT 将总线数据宽度从 8 位提高到 16 位，并保持开放式架构。许多公司在他们的 PC 克隆中使用了总线，称为 PC 兼容机。总线在扩展板和 PC 克隆行业中的广泛使用导致了总线的行业标准架构 (ISA)。这对消费者和 PC 克隆制造商来说是件好事，但它夺走了 IBM 的控制权和许可收入。

20 世纪 80 年代末，新的处理器和更快的速度使得 ISA 总线变得过时。IBM 推出了其新的专有微通道总线，试图解决 ISA 的缺点。该公司保持微通道的专有性，以从出售给 PC 兼容制造商的许可费中获利。然而，PC 行业迁移到由PCI 特别兴趣小组(PCI-SIG ) 维护的英特尔 32 位外围组件互连 (PCI) 总线 。

1995 年最先进的 PC 兼容 i80486 主板，支持 ISA（前景中的四个黑色插槽）和 PCI（中间的三个白色插槽）。

虽然 PCI 总线与微通道一样速度更快，但它是一个开放的行业标准。PCI 开创了一种无需附加卡即可将主板内置外设连接到总线的架构。在以前的 ISA 架构中，主板内置的外设通常需要定制的非标准接口电路。PCI 总线提供了一个板载外围接口，在电气上相当于将板插入插槽，从而更容易实现板载集成和软件支持。

尽管 PCI 提供了比 ISA 更高的性能，但它继承了 ISA 拓扑的许多缺点。与 ISA 一样，PCI 总线也采用共享并行数据总线架构。虽然 PCI 在速度潜力和信号完整性方面取得了重大进步，但它仍然需要每个外设共享资源并协商单独的总线访问。

图形加速卡制造商比其他接口卡制造商更早遇到这些限制，这促使了加速图形端口(AGP)的开发。AGP 是 PCI 的超集，它脱离了总线共享，并在 AGP 卡插槽和主板芯片组之间提供了直接路径。

2003 年，PCI-SIG 进一步应对这些挑战，推出了至今仍在使用的PCI Express 总线。PCIe 取代了所有主流 PC 总线，包括 AGP 接口。PCI-SIG 在 2001 年至 2003 年间制定了该标准，PCI 产品于 2004 年开始发货。

PCIe 总线与 PCI 总线有两个重要的区别。它没有使用共享总线主控拓扑，而是采用点对点系统通过通用主机控制器直接连接设备。它还从并行数据路径转变为单向串行数据路径。

PCI 中的共享总线与 PCIe 中的串行点对点拓扑。

使用旧的 PCI 和 ISA 总线主控拓扑，一次只有一个外设可以访问总线。每个都根据需要协商主站状态，等到它能够获得控制权，然后采取行动。即使使用直接内存访问 (DMA)，也几乎无法并行执行。这些旧拓扑满足了 20 世纪 80 年代缓慢应用程序的需求，但远远不足以满足新千年出现的游戏、高速网络或复杂图形界面的需求。

PCIe 不仅仅是一个物理插槽标准。总线的主力是拓扑。PCIe 用于连接内置外设、笔记本电脑和迷你 PC 的附加卡以及 SSD 存储。Mini PCIe 使用相同的拓扑、编码和规格，并且与常规 PCIe 电气兼容。现在常见的M.2 SSD接口也采用PCIe拓扑。

PCIe 的串行数据路径使用单向差分对来提高信号完整性。虽然这些线对需要进行长度匹配才能消除偏斜，但每对的两条迹线比 8、16 或 32 条迹线更容易处理。

差分信号走线的去偏技术

高速并行总线也可能受到串扰的影响，串扰是一种从一条走线到另一条走线的信号泄漏。这会导致数据损坏并限制带宽。差分配对信号可消除大部分串扰并提供更清晰的信号。

PCIe的单向差分对由四根走线组成，作为每个方向的差分对。每组四个连接称为一个通道，PCIe 插槽可支持 1 到 16 个通道。用于连接两个 PCIe 设备的通道组称为互连或链路。现代图形加速器通常使用 16 通道插槽，有些需要两个插槽和额外的电源连接。

差分对布置可加快传输速度并提高可靠性。在 PCIe 版本 1.0 和 2.0 中，数据以带有两个开销位的 8 位字传输，称为 8b/10b 编码。这意味着 20% 的传输比特是开销，而不是数据。PCI 3.0 将这一数字提升至 128b/130b 编码，产生 98.5% 的数据率和 1.5% 的开销。这种编码从 PCIe 1.0 到 5.0 一直保留，表示具有不归零(NRZ) 格式的二进制数据。

PCIe 1.0 每通道传输速度高达 2.5 GB/s，16 通道互连时最高传输速度为 4 GB/s。随着协议和芯片制造能力的改进，PCIe 2.0 使这一数字翻了一番。PCIe 3.0 从 8b/10b 提升到 128b/130b，速度几乎翻倍至每通道 8 GB/s。此后的每个新版本的数据速率都增加了一倍。

2022 年推出的 PCIe 6.0 在编码和协议方面带来了重大变化，将速度提升至 64 GB/s。PCIe 6.0 从 NRZ 数据格式更改为脉冲幅度调制 4 级(PAM4) 信令。PAM 表示与 NRZ 中的一位相同单位间隔中的两位，它给出四个值而不是两个。这有效地用两位值替换了二进制位。PAM4 的错误率要高得多，因此需要高级纠错。截至撰写本文时，使用此标准的卡尚未上市。

PCI-SIG 预计自 2022 年 6 月以来一直在开发的 PCIe 7.0 将在 2024 年得到巩固。该标准承诺通过微调通道参数来提高功率效率并减少信号损失，从而将 PCIe 6.0 数据速率提高一倍。PCIe 7.0 硬件要到 2027 年才会出现在市场上。

20 年前的 PCIe 总线在当今的 PC 世界中仍然可以辨认，2004 年的主板设计人员也可能很容易认出今天的 PCIe。然而，20年后情况可能并非如此。

当 PCIe 开发时，USB 还处于起步阶段。多种设备需要计算机中的插槽。那个时代的许多个人电脑仍然需要附加声卡、调制解调器、网卡和无线接口。对于当今的典型用户来说，这些应用程序都不需要附加卡。虽然游戏图形加速器、高端视频和声音处理设备以及奇异或特殊用途的产品仍然使用插入式 PCIe 板，但大多数家庭和商用 PC 和笔记本电脑都内置了所有这些（以及更多）或可通过USB。

目前大多数笔记本电脑和迷你电脑除了 M.2 SSD 接口外不使用卡插槽。虽然人们仍然使用 PCIe 连接主板上的各个子系统，但使用许多扩展插槽的日子可能已经屈指可数了。

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