为什么PCI-e比SATA快这么多?

PCIe协议和SATA协议都是分层协议，分为物理层，数据链路层，传输层，命令层和应用层。

硬件工程师主要关注物理层、数据链路层和传输层。所有CMD/data由应用层和命令层打下来，每向下走一层，多一层封装和变换，最后通过差分总线传输出去。

PCIe协议：

应用层和命令层打下来的CMD/data以TLP的格式封装起来，送给数据链路层，链路层给其加上sequence前缀和CRC后缀，成为一个完整的数据报文结构，送到物理层，经过8b/10b或者128b/130b编码后发送出去。关键点在于数据链路层有一个发送buffer，这个buffer可以存储一定量的TLP。每个传输层打下来的TLP首先送到这个发送buffer中，然后再发送给物理层。接收端也有一个接收buffer，可以一连串的接收多个TLP。如此，发送端无需等待接收端的回应，就可以先打多个TLP出去，接收端可以一股脑收起来，一个一个处理，如果接收正确，回复一个ACK DLLP（DLLP是另一种数据结构，用来进行一些控制信息的沟通，不用来传递CMD/data，DLLP由数据链路层自动生成，发送给对方的数据链路层，传输层不知道DLLP的存在），发送端收到这个DLLP，可以择机清空发送buffer中对应的TLP。如果接收端接收到错误的TLP，则回复NACK DLLP，发送方看到之后择机将发送buffer中对应的TLP重新发一遍。这带来的好处有以下：

（1）       发送端多个TLP可以pipe起来。一个TLP无需等待前一个TLP传完并收到ACK DLLP回应，就可以先发出去。反正有buffer可以先存着，物理层有空就发。

（2）       两个设备可以同时给对方打TLP，即全双工通信。一个设备发送TLP的时候，另一个设备无需被动等待，它可以发自己的TLP。 总线两端的设备地位是对等的，谁都可以给对方打CMD或者传data。

上图：PCIe的数据链路层结构

SATA协议：

以上说的两个好处，正好对应SATA总线的两个弱点：

（1）       SATA总线发送端不存在pipe。host一个FIS（类似PCIe协议中的TLP）打下去之后，只有device端回复收到，并且通过CRC校验之后（通过R_OK原语，类似PCIe的ACK DLLP），host才能打下一笔FIS。

（2）       SATA总线两端是不对等的，存在host和device的区别，只能主机给device打CMD，不能device给主机打CMD。而且不论是host还是device，一方发送FIS的时候，另一方只能处于接收状态，不能发FIS出去。这就是半双工通信。假如host正往device里面写data，device不可能在此时给host传data的。所以同一时刻，SATA的Rx和Tx只有一根线上是有效数据（payload）。

下图是SATA的一笔NCQ read CMD的总线传输。HOST通过Register FIS把CMD打下来，device收到之后，回复一个Register FIS。Device准备好data后，发送DMA setup FIS 告知host，然后发送data FIS，将数据送给host。传完数据，device发送一个set device bits FIS告知host。整个过程中，不论是host还是device，TP层只能一次发一个FIS，也不存在双方同时给对方发FIS的可能。