高速串行总线系列（6）PCI Express的带宽为什么可以这么大？

前言

PCI Express是一种高速串行连接，其运行方式更像是网络而不是总线。

PCI Express，通常简称为PCIe，它是由PCI演变而来的，下面一起认识认识。

PCI

外围组件互连（PCI）插槽是计算机体系结构不可或缺的一部分，大多数人都认为这是理所当然的。多年来，PCI一直是一种将声音，视频和网卡连接到主板的通用功能方法。

但是PCI有一些缺点。随着处理器，视频卡，声卡和网络变得越来越快，功能越来越强大，PCI一直保持不变。它具有32 位的固定宽度，一次只能处理5个设备。较新的64位PCI-X总线提供了更大的带宽，但其更大的宽度又增加了PCI的其他一些问题。

一种称为PCI Express（PCIe）的新协议消除了这些缺点中的许多缺点，提供了更大的带宽并与现有的操作系​​统兼容。

高速串行连接

在计算的早期，大量的数据通过串行连接移动。计算机将数据分离成数据包，然后每次将数据包从一个地方传送到另一个地方。串行连接很可靠，但速度很慢，因此制造商开始使用并行连接来同时发送多个数据。

事实证明，随着速度越来越高，并行连接也有自己的问题–例如，电线会在电磁上相互干扰–所以现在钟摆又向高度优化的串行连接摆去。硬件的改进以及数据包的分割、标记和重新组装过程的改进导致了更快的串行连接，如USB 2.0和FireWire。

PCI Express是一种串行连接，其运行方式更像是网络而非总线。PCIe不是用一条总线来处理来自多个源的数据，而是用一个开关来控制多个点对点的串行连接。(详情请参见 LAN 交换机的工作原理。)这些连接从交换机中呈扇形分布，直接通向数据需要传送的设备。每个设备都有自己的专用连接，因此设备不再像在普通总线上那样共享带宽。我们将在下一节中查看这种情况是如何发生的。

PCIe的lanes

lanes翻译为通道，为PCIe的串行数据发送以及接收的通道。

当计算机启动时，PCIe会确定哪些设备被插入主板。然后，它识别设备之间的链接，创建一个流量走向的地图，并协商每个链接的宽度。这种设备和连接的识别与PCI使用的协议相同，因此PCIe不需要对软件或操作系统进行任何更改。

PCI Express连接的每条通道都包含两对导线–一条用于发送，一条用于接收。数据包以每周期一个比特的速度在通道上移动。x1连接是最小的PCIe连接，有一个由四根线组成的通道（差分）。它在每个方向上每周期传输一个比特。x2连接包含八根线，一次传输两个比特，x4连接传输四个比特，以此类推。其他配置有x12、x16和x32。

PCI Express适用于台式机和笔记本电脑。它的使用可能导致主板生产成本降低，因为它的连接包含的针脚比PCI连接少。它还具有支持许多设备的潜力，包括以太网卡、USB 2和视频卡。

但是，一个串行连接怎么可能比PCI的32线或PCIx的64线更快呢？在下一节中，我们将看看PCIe是如何以串行格式提供大量带宽的。

PCIe的连接速度

32位PCI总线的最高速度为33MHz，允许每秒通过总线的数据量最大为133MB。64位PCI-X总线的总线宽度是PCI的两倍。不同的PCI-X规格允许不同的数据传输速率，从每秒512 MB到1 GB的数据都有。

然而，单条PCI Express通道每秒可处理每个方向200 MB的流量。一个x16 PCIe连接器可以在每个方向上每秒传输6.4 GB的数据，速度惊人。在这种速度下，x1连接可以轻松处理千兆以太网连接以及音频和存储应用。一个x16连接可以轻松处理强大的图形适配器。

这怎么可能呢？一些简单的进步促成了串行连接速度的大幅提升。

• 数据的优先级，使系统可以先移动最重要的数据，并帮助防止瓶颈的出现。
• 依靠时间的（实时）数据传输
• 改进用于连接的物理材料；
• 更好的握手和错误检测
• 更好的方法将数据分解成数据包，再将数据包组合起来。此外，由于每个设备都有自己与交换机的专用点对点连接，来自多个来源的信号不再需要通过同一总线工作。

在并行连接中，干扰和信号衰减是很常见的。劣质材料和来自附近电线的交叉信号会转化为噪声，从而降低连接速度。PCI-X总线的额外带宽意味着它可以承载更多的数据，从而产生更多的噪声。PCI协议也不会对数据进行优先级排序，因此更多重要的数据可能会被瓶颈所困扰。为显卡使用加速图形端口（AGP）插槽可以消除大量的流量，但不足以补偿更快的处理器和I/O设备。

注：以上内容仅仅为PC上的PCIe简介。更多的关于FPGA以及其他嵌入式设备上的PCIe后面可能会单独更新。