无线专题 PCI接口与PCIe接口

在我们看PCIe是什么之前，我们应该要了解一下PCIe的祖先们，这样我们才能对PCIe的一些设计有了更深刻的理解，并感叹计算机技术的飞速发展和工程师们的不懈努力。
PCI (Peripheral Component Interconnect)
PCI Express (Peripheral Component Interconnect Express)

以上可以看到主频越来越高，从最初的ISA一直发展到后来的pcie3.0

1、PCI接口

1、一个典型的桌面系统PCI架构如下图：

如图，桌面系统一般只有一个Host Bridge用于隔离处理器系统的存储器域与PCI总线域，并完成处理器与PCI设备间的数据交换。每个Host Bridge单独管理独立的总线空间，包括PCI Bus, PCI I/O, PCI Memory, and PCI
Prefetchable Memory Space。桌面系统也一般只有一个Root Bridge，每个Root Bridge管理一个Local Bus空间，它下面挂载了一颗PCI总线树，在同一颗PCI总线树上的所有PCI设备属于同一个PCI总线域。一颗典型的PCI总线树如图：

从图中我们可以看出 PCI 总线主要被分成三部分：

PCI 设备。符合 PCI 总线标准的设备就被称为 PCI 设备，PCI 总线架构中可以包含多个 PCI 设备。图中的 Audio、LAN 都是一个 PCI 设备。PCI 设备同时也分为主设备和目标设备两种，主设备是一次访问操作的发起者，而目标设备则是被访问者。
PCI 总线。PCI 总线在系统中可以有多条，类似于树状结构进行扩展，每条 PCI 总线都可以连接多个 PCI 设备/桥。上图中有两条 PCI 总线。
PCI 桥。当一条 PCI 总线的承载量不够时，可以用新的 PCI 总线进行扩展，而 PCI 桥则是连接 PCI 总线之间的纽带。

服务器的情况要复杂一点，举个例子，如Intel志强第三代四路服务器，共四颗CPU，每个CPU都被划分了共享但区隔的Bus, PCI I/O, PCI Memory范围，其构成可以表示成如下图：

可以看出，只有一个Host Bridge，但有四个Root Bridge，管理了四颗单独的PCI树，树之间共享Bus等等PCI空间。

2、PCI标准有什么特点吗？

它是个并行总线。在一个时钟周期内32个bit（后扩展到64）同时被传输。引脚定义如下：

地址和数据在一个时钟周期内按照协议，分别一次被传输。
PCI空间与处理器空间隔离。PCI设备具有独立的地址空间，即PCI总线地址空间，该空间与存储器地址空间通过Host bridge隔离。处理器需要通过Host bridge才能访问PCI设备，而PCI设备需要通过Host bridge才能主存储器。在Host bridge中含有许多缓冲，这些缓冲使得处理器总线与PCI总线工作在各自的时钟频率中，彼此互不干扰。Host bridge的存在也使得PCI设备和处理器可以方便地共享主存储器资源。处理器访问PCI设备时，必须通过Host bridge进行地址转换；而PCI设备访问主存储器时，也需要通过Host bridge进行地址转换。

深入理解PCI空间与处理器空间的不同是理解和使用PCI的基础。

3.扩展性强。PCI总线具有很强的扩展性。在PCI总线中，Root Bridge可以直接连出一条PCI总线，这条总线也是该Root bridge所管理的第一条PCI总线，该总线还可以通过PCI桥扩展出一系列PCI总线，并以Root bridge为根节点，形成1颗PCI总线树。在同一条PCI总线上的设备间可以直接通信，并不会影响其他PCI总线上设备间的数据通信。隶属于同一颗PCI总线树上的PCI设备，也可以直接通信，但是需要通过PCI桥进行数据转发。

2、PCIe架构

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PCI后期越来越不能适应高速发展的数据传输需求，随着频率的提高，PCI并行传输遇到了干扰的问题：高速传输的时候，并行的连线直接干扰异常严重，而且随着频率的提高，干扰（EMI）越来越不可跨越。

PCIe和PCI最大的改变是由并行改为串行，通过使用差分信号传输（differential transmission），如图

相同内容通过一正一反镜像传输，干扰可以很快被发现和纠正，从而可以将传输频率大幅提升。加上PCI原来基本是半双工的（地址/数据线太多，不得不复用线路），而串行可以全双工。与单端并行信号相比，高速差分信号可以使用更高的时钟频率，从而使用更少的信号线，完成之前需要许多单端并行数据信号才能达到的总线带宽。

PCIe还在很多方面和PCI有很大不同：

PCI总线使用并行总线结构，在同一条总线上的所有外部设备共享总线带宽，而PCIe总线使用了高速差分总线，并采用端到端的连接方式，因此在每一条PCIe链路中只能连接两个设备。
一个典型的PCIe系统框图如下：

PCIe链路使用“端到端的数据传送方式”，发送端和接收端中都含有TX(发送逻辑)和RX(接收逻辑)，其结构如下图：

由上图所示，在PCIe总线的物理链路的一个数据通路(Lane)中，由两组差分信号，共4根信号线组成。一个PCIe链路可以由多条Lane组成，目前PCIe链路可以支持1、2、4、8、12、16和32个Lane，即×1、×2、×4、×8、×12、×16和×32宽度的PCIe链路。每一个Lane上使用的总线频率与PCIe总线使用的版本相关。

高速差分信号电气规范要求其发送端串接一个电容，以进行AC耦合。该电容也被称为AC耦合电容。PCIe链路使用差分信号进行数据传送，一个差分信号由D+和D-两根信号组成，信号接收端通过比较这两个信号的差值，判断发送端发送的是逻辑“1”还是逻辑“0”。

PCIe的连线是由不同的lane来连接的，这些lane可以合在一起提供更高的带宽。譬如两个1lane可以合成2lane的连接，写作x2。两个x2可以变成x4，最大直到x16，往往给带宽需求最大的显卡使用。
PCI配置空间从256B扩展为4k，同时提供了PCIe memory map访问方式，我们在软件部分会详细介绍。

4.PCIe提供了很多特殊功能，如Complete Timeout(CTO)，MaxPayload等等几十个特性，而且还在随着PCIe版本的进化不断增加中，对电源管理也提出了单独的State（L0/L0s/L1等等）。这些请参见PCIe 3.0 spec，本文不再详述。

其他VC的内容，和固件理解无关，本文不再提及。INT到MSI的部分会在将来介绍PC中断系统时详细讲解。

PCIe 1.0和2.0采用了8b/10b编码方式，这意味着每个字节（8b）都用10bit传输，这就是为什么2.5GHz和5GHz时钟，每时钟1b数据，结果不是312.5MB/s和625MB/s而是250MB/s和500MB/s。PCIe 3.0和4.0采用128b/130b编码，减小了浪费（overhead），所以才能在8GHz时钟下带宽达到1000MB/s（而不是800MB/s）。即将于今年发布的PCIe 4.0还会将频率提高一倍，达到16GHz，带宽达到2GB/s每Lane。

6、PCIe总线采用了串行连接方式，并使用数据包(Packet)进行数据传输，采用这种结构有效去除了在PCI总线中存在的一些边带信号，如INTx和PME#等信号。在PCIe总线中，数据报文在接收和发送过程中，需要通过多个层次，包括事务层、数据链路层和物理层。PCIe总线的层次结构如图44所示。

PCIe总线的层次组成结构与网络中的层次结构有类似之处，但是PCIe总线的各个层次都是使用硬件逻辑实现的。在PCIe体系结构中，数据报文首先在设备的核心层(Device Core)中产生，然后再经过该设备的事务层(Transaction Layer)、数据链路层(Data Link Layer)和物理层(Physical Layer)，最终发送出去。而接收端的数据也需要通过物理层、数据链路和事务层，并最终到达Device Core。

7、 PCIe链路使用端到端的数据传送方式。在一条PCIe链路中，这两个端口是完全对等的，分别连接发送与接收设备，而且一个PCIe链路的一端只能连接一个发送设备或者接收设备。因此PCIe链路必须使用Switch扩展PCIe链路后，才能连接多个设备。使用Switch进行链路扩展的实例如图45所示。

3、后记

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对于一般用户来说，PCIe对用户可见的部分就是主板上大大小小的PCIe插槽了，有时还和PCI插槽混在一起，造成了一定的混乱，其实也很好区分：

如图，PCI插槽都是等长的，防呆口位置靠上，大部分都是纯白色。PCIe插槽大大小小，最小的x1，最大的x16，防呆口靠下。各种PCIe插槽大小如下：

常见问题：

Q:我主板上没有x1的插槽，我x1的串口卡能不能插在x4的插槽里。

A: 可以，完全没有问题。除了有点浪费外，串口卡也将已x1的方式工作。

Q:我主板上只有一个x16的插槽，被我的显卡占据了。我还有个x16的RAID卡可以插在x8的插槽内吗？

A: 你也许会惊讶，但我的答案同样是：可以！你的RAID卡将以x8的方式工作。实际上来说，你可以将任何PCIe卡插入任何PCIe插槽中! PCIe在链接training的时候会动态调整出双方都可以接受的宽度。最后还有个小问题，你根本插不进去！呵呵，有些主板厂商会把PCIe插槽尾部开口，方便这种行为，不过很多情况下没有。这时怎么办？你懂的。。。。

Q: 我的显卡是PCIe 3.0的，主板是PCIe2.0的，能工作吗？

A: 可以，会以2.0工作。反之，亦然。

Q: 我把x16的显卡插在主板上最长的x16插槽中，可是benchmark下来却说跑在x8下，怎么回事?！

A: 主板插槽x16不见得就连在支持x16的root port上，最好详细看看主板说明书，有些主板实际上是x8。有个主板原理图就更方便了。

Q: 我新买的SSD是Mini PCIe的，Mini PCIe是什么鬼？

A: Mini PCIe接口常见于笔记本中，为54pin的插槽。多用于连接wifi网卡和SSD，注意不要和mSATA弄混了，两者完全可以互插，但大多数情况下不能混用（除了少数主板做了特殊处理），主板设计中的防呆设计到哪里去了！请仔细阅读主板说明书。另外也要小心不要和m.2(NGFF)搞混了，好在卡槽大小不一样。