【转】一文读懂PCIe的进化史

PCIe发展至今已经从最初的1.0升级到了6.0，但很多人对于PCIe只知其然而不知其所以然，小编今天就带大家一起来看一看。

要想了解什么是 PCIe，首先我们要来聊聊什么是总线。

如果把主板看作一座城市，那么总线就像是城市里的公共汽车，能按照固定行车路线，传输来回不停运作的比特。

在很久以前，我们的电脑并不像如今这样有统一的接口与总线规范。那时想要给主板做拓展有很大的局限性，因为主板上的接口基本只能对应一个硬件设备，各大厂商之间的规范也各不相同，就是在这样的大环境下，ISA (Industry Standard Architecture）诞生了。

ISA总线是IBM公司为PC/AT电脑而制定的总线标准。由于兼容性好，ISA在上个世纪80年代是最广泛采用的系统总线，不过它的弱点也是显而易见的，比如传输速率过低、CPU占用率高、占用硬件中断资源等。ISA总线的淘汰也成了必然。

1992年6月，英特尔发明了名为外部链接标准也就是Peripheral Component Interconnect的接口规范，缩写为PCI。PCI接口的特性在于采用的是并行传输方式，根据连接的数据宽度和频率不同，能够达到不同的数据传输速度。

相较上一代 ISA，PCI 有着明显的速度提升，同时还能够自动配置资源，支持即插即用，很快就在各大厂商之间的混战中占领市场。

不过PCI的带宽有限，对日益强悍的GPU等高性能单元来说逐渐成为了瓶颈。因此，基于PCI的技术又发展出了AGP等专用于图形卡的总线接口标准。AGP依旧是并行传输数据。

随着系统性能进一步提升，对带宽要求越来越大。PCI和AGP这样的并行传输技术，无法在当时的技术条件下带来性能的进一步提升。

终于在2001年，非营利组织PCI-SIG召集了英特尔、AMD、博通、IBM、微软等厂商提出了PCIe（Peripheral Component Interconnect Express）新总线标准。

PCIe属于高速串行点对点双通道高带宽传输，所连接的设备分配独享通道带宽，不共享总线带宽，主要支持主动电源管理、错误报告、端对端的可靠性传输、热插拔以及服务质量(QOS)等功能。PCIe的主要优势就是数据传输速率高，而且还有相当大的发展潜力。

PCIe也有多种规格，x1、x4、x8、x16、x32，x 后面的数字代表 PCIe 插槽有多少条通道（数据如何进出 PCIe 卡）。一个 PCIe x1 插槽有一个通道，可以每个周期传输一位数据。一个 PCIe x2 插槽有两个通道，每个周期可以传输两位数据（依此类推）。

大多数台式电脑主板都有许多 PCIe 插槽，可用于添加通用显卡、各种外设卡、无线网卡或固态硬盘等等。PC 中可用的 PCIe 插槽类型将取决于你购买的主板。

在使用中你可以将PCIe x1卡插入PCIe x4或者x16的插槽中，但该卡将始终在 PCIe x1 模式下运行。同样的，你也可以将 PCIe x8 卡插入 PCIe x4 插槽，但它只能使用一半的带宽。

下图展示了 PCIe 规范随时间的演变：

FLIT 模式

PCIe 6.0 引入了 FLIT 模式，其中数据包以固定大小的流量控制单元组织，而不是过去几代 PCIe 中的可变大小。引入 FLIT 模式的最初原因是纠错需要使用固定大小的数据包；但是，FLIT 模式还简化了控制器级别的数据管理，从而提高了带宽效率、降低了延迟并缩小了控制器占用空间。

对于固定大小的数据包，不再需要在物理层对数据包进行成帧，这为每个数据包节省了 4 字节。FLIT 编码还消除了以前 PCIe 规范中的 128B/130B 编码和 DLLP（数据链路层数据包）开销，从而显著提高了 TLP效率，尤其是对于较小的数据包。

在实际应用方面，刚刚发布不久的PCIe 6.0目前自然还尚无具体进展，现在主流的应用还在PCIe 3.0和PCIe 4.0，不过PCIe 5.0已经进入初步的推广期，自2021年底开始，便开始有厂商推出支持PCIe 5.0的高速网卡与SSD产品，并且一些新的GPU、CPU开始采用PCIe 5.0了。

这也让当前的PCIe应用环境形成了3.0、4.0、5.0、6.0“四代同堂”的奇特现象，并且仍将持续一段时间。

整体而言，新一代PCIe 5.0与PCIe 6.0已经崛起，并陆续投入应用，PCIe 6.0带来的新特性，包括64GT/s的数据速率、PAM4编码方式、具有吞吐量和延迟优势的 FLIT等等，必然会更好地推动行业发展。

参考：
https://www.electronicdesign.com/industrial-automation/article/21136215/intel-whats-the-difference-going-from-pcie-30-to-pcie-60
https://pcisig.com/blog/evolution-pci-express-specification-its-sixth-generation-third-decade-and-still-going-strong
https://www.rambus.com/blogs/pcie-6/
https://www.elecfans.com/d/1816714.html
https://www.eettaiwan.com/20220323nt61-pcie-6-0-is-coming/
https://www.sohu.com/a/600164003_121123771
https://new.qq.com/rain/a/20190907A0JGH000
https://www.ithome.com.tw/tech/149041

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