深入解析PCIe及其在芯片行業(yè)的重要性

游戲愛好者或者硬件愛好者肯定都對顯卡有一定的了解，顯卡一般插在主板上的擴展槽上面，顯卡和CPU交互的方式就是通過PCIE協(xié)議，現(xiàn)在常見的擴展槽就是PCIE槽，很多人了解PCIE但也有很多人只是聽過不知道具體的功能含義，今天我們就來淺談下PCIE。 ?

PCIE的發(fā)展史

PCIExpress（PCIe）的發(fā)展歷史可以追溯到PCI（Peripheral Component Interconnect）的起源。PCI是Intel于1991年提出的一種計算機總線標(biāo)準(zhǔn)，主要用于計算機連接其外圍設(shè)備，如硬盤控制器、聲卡、顯卡和網(wǎng)卡等。這些設(shè)備都使用PCI插槽來連接到計算機的主板上。隨著Intel Pentium處理器的誕生，PCI總線得以迅速發(fā)展。

第一個英特爾奔騰處理器 最初的PCI總線工作在33MHz頻率之下，傳輸帶寬達到132MB/s，這基本上滿足了當(dāng)時處理器的發(fā)展需要。然而，隨著對更高性能的要求，PCI總線技術(shù)也在不斷發(fā)展。后來提出了將PCI總線的頻率提升到66MHz，使得傳輸帶寬能達到264MB/s。

然而，PCI總線速率的瓶頸逐漸顯現(xiàn)，特別是在服務(wù)器和工作站中，高速磁盤和網(wǎng)絡(luò)適配器對更高帶寬的需求日益迫切。為了滿足這種需求，PCI技術(shù)開始往更高速率的方向發(fā)展，形成了PCI-X新總線標(biāo)準(zhǔn)。PCI-X最大支持到64bit/533M，但在其第二代之后，仍存在一定的局限性。

隨后，PCIe作為PCI的串行總線版本被推出。從2003年開始，PCIe標(biāo)準(zhǔn)不斷得到更新和升級。PCIe 1.0在2003年推出，支持更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。隨后，PCIe 2.0在2007年推出，進一步提升了傳輸速率。然而，之后幾年P(guān)CIe的發(fā)展相對緩慢，直到2010年P(guān)CIe 3.0的推出，它支持更高的速率，最高可以達到8GT/s。

2017年，PCIe 4.0標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，進一步提升了PCI Express總線的帶寬，最高可以達到16GT/s。緊接著，2019年P(guān)CIe5.0標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，成為當(dāng)時最新的PCI Express標(biāo)準(zhǔn)，最高可以達到32GT/s的傳輸速率。

2021年，PCI-SIG 組織發(fā)布PCIe 6.0 是最新一代的 PCI Express 接口標(biāo)準(zhǔn)，速率達到64GT/s。

而在最近的2024年，PCI-SIG組織已經(jīng)公布了PCIe 7.0標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn)，PCIe 7.0將在一條通道（x1）上單向?qū)崿F(xiàn)128GT/s或128Gbps速率。新的規(guī)范預(yù)計在2025年正式推行。在x16雙向傳輸模式下，PCIe 7.0的速率高達512GB/s，這對于云端應(yīng)用、大數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域來說，無疑是一個巨大的飛躍。

總的來說，PCIe的發(fā)展歷史體現(xiàn)了計算機技術(shù)的不斷進步和發(fā)展，從最初的并行總線到現(xiàn)在的串行總線，從較低的傳輸速率到如今的極高傳輸速率，滿足了不斷增長的數(shù)據(jù)處理和傳輸需求。

PCIE歷代速率一覽表

PCIE的使用場景

? PCIe（Peripheral Component Interconnect Express）因其高帶寬、低延遲和靈活性等特點，在眾多計算和數(shù)據(jù)密集型場景中廣泛應(yīng)用。以下列舉了一些典型的PCIe使用場景：

圖形處理單元(GPU顯卡)：

1、游戲和圖形渲染：PCIe插槽用于連接高性能顯卡，為桌面和工作站提供高質(zhì)量的游戲畫面渲染和三維建模能力。

2、深度學(xué)習(xí)與AI訓(xùn)練：

GPU加速卡通過PCIe接口與主機相連，用于大規(guī)模并行計算，加速機器學(xué)習(xí)模型的訓(xùn)練過程。

高速存儲：

1、NVMe SSD：

PCIe SSD（非易失性內(nèi)存express）可以利用PCIe通道直接與CPU通信，提供極高的讀寫速度，用于大型數(shù)據(jù)庫、高性能計算集群以及對存儲速度要求極高的應(yīng)用程序。

網(wǎng)絡(luò)接口卡（NIC）：

高速網(wǎng)絡(luò)適配器通過CIe接口接入服務(wù)器或工作站，實現(xiàn)萬兆或更高速度的以太網(wǎng)連接，滿足數(shù)據(jù)中心內(nèi)部或互聯(lián)網(wǎng)之間的高速數(shù)據(jù)傳輸需求。

加速卡與協(xié)處理器：

FPGA加速卡、智能網(wǎng)卡、加密/解密加速卡等通過PCIe連接到系統(tǒng)，提供特定領(lǐng)域的加速計算，如金融交易、密碼破解、大數(shù)據(jù)分析等。

專業(yè)音頻與視頻采集卡：

高級的多通道音頻和視頻輸入輸出設(shè)備通常使用PCIe接口，以實現(xiàn)高清視頻流的實時處理和傳輸。

科研儀器與工業(yè)控制：

在實驗室環(huán)境和工業(yè)自動化領(lǐng)域，高端測量設(shè)備和控制器可通過PCIe接口與計算機整合，實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)采集和處理。

總之，PCIe在任何需要高速、低延遲數(shù)據(jù)交換的場合都有廣泛的應(yīng)用，尤其是那些需要大量并發(fā)數(shù)據(jù)處理、高速存取或高吞吐量網(wǎng)絡(luò)連接的場景。隨著PCIe規(guī)范的持續(xù)演進，其帶寬和性能不斷提升，進一步拓寬了其在現(xiàn)代計算架構(gòu)中的應(yīng)用范圍。

PCIE的架構(gòu)

PCIE的結(jié)構(gòu)是一種分層的設(shè)計，旨在確保模塊化和靈活性，同時提供強大的性能。以下是PCIe結(jié)構(gòu)的詳細說明：

1. 物理層（PhysicalLayer）

物理層是PCIe架構(gòu)的底層，負責(zé)處理實際的信號傳輸。物理層的詳細描述包括以下幾個核心部分：

(1)物理邏輯子層（PhysicalLayer Logic Sublayer, PLSL）

PLSL負責(zé)對接數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為物理層可以處理的格式。這一層處理數(shù)據(jù)包的序列化和反序列化、信號的編碼與解碼，以及數(shù)據(jù)的打包和解包。

(2)物理編碼子層（PhysicalCoding Sublayer, PCS）

PCS負責(zé)對數(shù)據(jù)進行編碼，以適應(yīng)物理介質(zhì)的傳輸特性，如在PCIe中使用8b/10b編碼或更高級別的128b/130b編碼來保證足夠的DC平衡和時鐘恢復(fù)能力。

(3)物理介質(zhì)附屬子層（PhysicalMedium Attachment Sublayer, PMAS）

這一層關(guān)注信號在物理媒介上的傳輸，包括信號的預(yù)加重、均衡、去加重等處理，以優(yōu)化信號質(zhì)量和克服傳輸距離所帶來的損耗。

(4)物理介質(zhì)相關(guān)子層（PhysicalMedium Dependent Sublayer, PMDS）

PMDS定義了具體的物理接口規(guī)范，如電氣特征、電纜類型、連接器標(biāo)準(zhǔn)、信號品質(zhì)參數(shù)等，確保不同制造商生產(chǎn)的組件能夠相互兼容。

(5)物理層信號和時序

PCIe物理層采用差分信號傳輸，降低電磁干擾并提高信號完整性，通過正負信號對來表示二進制數(shù)據(jù)，從而在高速傳輸時仍能保持良好的信號質(zhì)量。

(6)鏈路訓(xùn)練與狀態(tài)機（LinkTraining and Status State Machine, LTSSM

LTSSM是一個重要的組成部分，它負責(zé)初始化和管理PCIe鏈路的狀態(tài)，包括速率協(xié)商、位鎖定、符號鎖定、電氣均衡設(shè)置以及鏈路激活和退出的過程。

(7)物理層包（PhysicalLayer Packet, PLP）

物理層還生成和處理一些特殊類型的包，如用于鏈路訓(xùn)練和管理的命令集（OrderedSets），這些不是常規(guī)的數(shù)據(jù)包，而是用于維護和優(yōu)化鏈路性能的信號序列。

(8)電氣子層

包括了發(fā)射和接收電路，負責(zé)生成和識別信號，并確保信號在物理線路上傳輸時符合規(guī)范的要求，包括但不限于信號幅度、邊沿速度、噪聲容限和信號衰減等問題。

2. 數(shù)據(jù)鏈路層（DataLink Layer）

數(shù)據(jù)鏈路層位于物理層之上，負責(zé)處理數(shù)據(jù)包的封裝、解碼和錯誤檢測。主要包括以下方面：

(1)幀化與去幀化

數(shù)據(jù)鏈路層將事務(wù)層傳遞下來的TLPs（TransactionLayer Packets）幀化，以便在物理層上進行傳輸。同時，接收端的數(shù)據(jù)鏈路層將接收到的幀解碼成原始的TLPs，然后傳遞給事務(wù)層。

(2)錯誤檢測與校正

數(shù)據(jù)鏈路層通過CRC（循環(huán)冗余檢查）等算法對TLPs進行錯誤檢測。如果檢測到錯誤，數(shù)據(jù)鏈路層會根據(jù)協(xié)議規(guī)定采取相應(yīng)的錯誤處理措施，比如請求重發(fā)。

(3)流量控制

數(shù)據(jù)鏈路層使用Credit-based流控機制來防止發(fā)送方的數(shù)據(jù)淹沒接收方。每發(fā)送一個TLP，接收方就會消耗一個Credit，而發(fā)送方只有在擁有足夠Credit的情況下才能發(fā)送下一個TLP。

(4)鏈路狀態(tài)管理

數(shù)據(jù)鏈路層負責(zé)監(jiān)控和管理鏈路的狀態(tài)，包括鏈路的訓(xùn)練、配置和維護等。此外，數(shù)據(jù)鏈路層還負責(zé)鏈路的恢復(fù)和重新訓(xùn)練過程。

(5)鏈路功耗管理

PCIe支持多種低功耗狀態(tài)，數(shù)據(jù)鏈路層參與管理這些狀態(tài)，以降低系統(tǒng)的能耗。例如，當(dāng)沒有數(shù)據(jù)傳輸時，鏈路可以被置于低功耗狀態(tài)。

(6)鏈路層報文（LLPs, Link Layer Packets）

數(shù)據(jù)鏈路層定義了自己的報文格式，用于執(zhí)行特定的控制和狀態(tài)管理任務(wù)。LLPs通常包括用于鏈路初始化、訓(xùn)練、狀態(tài)報告和錯誤處理的報文。

(7)DLLP（DataLink Layer Packet）

DLLP是一種特殊的鏈路層報文，用于在設(shè)備和控制器之間傳送流量控制信息和其他控制消息。DLLP的開銷很小，通常只包含8字節(jié)，因此對性能的影響非常有限。

3. 事務(wù)層（TransactionLayer）

事務(wù)層是PCIe結(jié)構(gòu)中的第三層，它負責(zé)處理事務(wù)級的操作，如讀取、寫入和I/O操作。幾個主要功能：

(1)TLP（TransactionLayer Packet）處理

事務(wù)層的主要職責(zé)是創(chuàng)建、處理和解析TLPs。TLPs是封裝了PCIe事務(wù)數(shù)據(jù)的包，它們包含了必要的頭部信息，如命令類型、地址、長度和其他控制信息。

(2)命令與響應(yīng)處理

事務(wù)層支持各種類型的數(shù)據(jù)傳輸命令，包括讀（Read）、寫（Write）、配置讀（Config Read）、配置寫（Config Write）等。對于每種操作，事務(wù)層都會生成相應(yīng)的TLPs，并在數(shù)據(jù)傳輸完成后生成相應(yīng)的完成狀態(tài)TLPs。

(3)虛擬通道（VC，Virtual Channel）管理

為了提高帶寬利用率和響應(yīng)時間，事務(wù)層提供了多通道（通常是兩個）的并發(fā)數(shù)據(jù)傳輸能力。每個虛擬通道都有自己的Credit池和優(yōu)先級，使得不同的流量可以獨立地被管理和調(diào)度。

(4)地址翻譯

事務(wù)層負責(zé)將軟件層面的內(nèi)存地址轉(zhuǎn)換為PCIe地址空間，包括事務(wù)層格雷碼地址。這使得TLPs能夠在PCIe網(wǎng)絡(luò)上正確路由。

(5)數(shù)據(jù)緩沖與分段

為了適應(yīng)物理層的數(shù)據(jù)傳輸要求，事務(wù)層會對較大的數(shù)據(jù)塊進行分段處理，并將其存儲在緩沖區(qū)中。這樣可以確保數(shù)據(jù)的連續(xù)性和完整性。

(6)流控制

事務(wù)層通過與數(shù)據(jù)鏈路層交互來實施流控制機制。這保證了發(fā)送方不會因為發(fā)送速度過快而導(dǎo)致接收方緩沖區(qū)溢出。

(7)事務(wù)排序

事務(wù)層負責(zé)保證數(shù)據(jù)按照正確的順序進行傳輸，特別是在存在多個并發(fā)事務(wù)時，以確保數(shù)據(jù)的正確性和一致性。

(8)錯誤處理

事務(wù)層能夠檢測和處理一些傳輸錯誤，例如地址錯誤、大小錯誤或者無效的操作等。對于無法糾正的錯誤，事務(wù)層會向上游發(fā)送錯誤報告

4. 設(shè)備層和應(yīng)用層

在事務(wù)層之上，是設(shè)備層和應(yīng)用層。這些層次提供了對PCIe設(shè)備的抽象和接口，使得上層軟件能夠方便地與PCIe設(shè)備進行交互。設(shè)備層定義了PCIe設(shè)備的特定屬性和功能，而應(yīng)用層則提供了對這些功能的訪問和使用。

? 5. 端點（Endpoints）和根聯(lián)合體（Root Complex）

在PCIe系統(tǒng)中，端點（Endpoints）是實際的數(shù)據(jù)源或數(shù)據(jù)目的地，它們可以是各種PCIe設(shè)備，如顯卡、網(wǎng)卡等。根聯(lián)合體（Root Complex）則是連接CPU和內(nèi)存的子系統(tǒng)，它作為PCIe系統(tǒng)的主機，負責(zé)管理PCIe總線上的設(shè)備，并協(xié)調(diào)它們之間的數(shù)據(jù)傳輸。

6. 交換機（Switches）和橋接器（Bridges）

在復(fù)雜的PCIe系統(tǒng)中，交換機和橋接器用于擴展總線的范圍，連接更多的設(shè)備。交換機用于在多個PCIe設(shè)備之間提供數(shù)據(jù)通道，而橋接器則用于連接不同類型的總線，實現(xiàn)不同總線之間的通信。

總體來說，PCIe的結(jié)構(gòu)設(shè)計充分考慮了模塊化和靈活性，使得不同層次的組件可以獨立演進和擴展。這種設(shè)計確保了PCIe能夠滿足不斷變化的應(yīng)用需求，并提供持續(xù)的性能提升。

PCIE未來發(fā)展趨勢

PCIE未來的發(fā)展趨勢主要集中在以下幾個方面：

1、更高的傳輸速率：隨著數(shù)據(jù)中心和高性能計算需求的增加，PCIe標(biāo)準(zhǔn)的傳輸速率將繼續(xù)提升。例如，PCIe 5.0標(biāo)準(zhǔn)相比于PCIe 4.0，帶寬翻倍，而正在開發(fā)中的PCIe 6.0和PCIe 7.0將進一步大幅提高速率。

2、更低的延遲：為了滿足實時計算和網(wǎng)絡(luò)通信的需求，PCIe的未來發(fā)展將致力于減少傳輸延遲，提高數(shù)據(jù)處理效率。

3、能效優(yōu)化：隨著綠色計算和可持續(xù)發(fā)展的重視，PCIe技術(shù)的能效比將成為重要指標(biāo)。未來的發(fā)展將著重于降低能耗，特別是在空閑或低負載狀態(tài)下。

4、增強的虛擬通道功能：虛擬通道技術(shù)允許PCIe設(shè)備在多個通道上同時進行數(shù)據(jù)傳輸，提高帶寬利用率。未來的PCIe版本可能會進一步增強VC的功能，提供更多的通道以及更復(fù)雜的調(diào)度策略。

5、更好的兼容性與互操作性：隨著不同代數(shù)的PCIe設(shè)備并存，確保新舊設(shè)備間的兼容性和互操作性將是PCIe發(fā)展的關(guān)鍵。

6、集成安全特性：為了應(yīng)對日益增長的安全威脅，PCIe未來可能會集成更多的安全特性，如硬件加密和認證機制，以保護數(shù)據(jù)傳輸過程中的安全性。

7、擴展應(yīng)用場景：PCIe不僅應(yīng)用于傳統(tǒng)的計算機和服務(wù)器領(lǐng)域，還將拓展至更多新興領(lǐng)域，如汽車電子、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等，以滿足這些領(lǐng)域的特定需求。

綜上所述，PCIe的未來發(fā)展將圍繞提升性能、降低功耗、增強安全性以及擴大應(yīng)用范圍等方面展開。隨著技術(shù)的不斷進步，PCIe將繼續(xù)作為連接各種硬件組件的關(guān)鍵橋梁，支撐著現(xiàn)代計算和通訊技術(shù)的發(fā)展。

審核編輯：黃飛

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