PCI Express 是一項經(jīng)常成為頭條新聞的技術(shù)，其性能不斷提高的新規(guī)范經(jīng)常出現(xiàn)在新聞中。如果得知它已經(jīng)存在了 20 年，您可能會感到驚訝！而且直到現(xiàn)在沒有被取代的跡象。在我們看來，這項技術(shù)必須是特別的東西才能持續(xù)這么久。

如果您想知道它到底做了什么，以及 PCI Express 是如何在 20 年內(nèi)一直是每臺家用電腦的主要組成部分，請認真閱讀這篇文章。

在 Express 之前和 PCI 之前

讓我們首先回到 1980 年代，當時計算機主板上集成了數(shù)十個芯片和大量用于添加額外卡的特殊擴展槽。對于后者，一種類型主要主導本地場景：IBM 的ISA 總線（行業(yè)標準架構(gòu)）。雖然相比之下對技術(shù)的改進并不那么成功，但該系統(tǒng)總體上在行業(yè)內(nèi)變得無處不在。

到下一個十年到來時，更快的處理器幫助推動了對性能更好的擴展總線的需求，最終產(chǎn)生了兩種新格式——英特爾的 PCI 總線（外圍組件互連）和來自視頻電子標準協(xié)會的VLB（VESA 本地總線）。

兩者在 1992 年同時出現(xiàn)，盡管 PCI 最初看起來是兩者中較慢的，因為它被設計為以固定的 33 MHz 運行（后來的規(guī)范修訂版確實允許 66 MHz，但消費類 PC 從未真正支持這一點） . 相反，VLB 以與 CPU 的前端總線 (FSB：front-side bus) 相同的時鐘運行，從而允許 VLB 達到 40 或 50 MHz，具體取決于中央處理器。

但是，它并不總是穩(wěn)定在該速率，并且延遲比 PCI 更差。典型的 VLB 擴展槽也比 PCI 擴展槽大得多。盡管有這些優(yōu)勢，PCI 還是花了一些時間才在主板行業(yè)獲得關(guān)注，尤其是在工作站和服務器市場。

當時，家庭 PC 用戶通常沒有很多擴展卡，也沒有任何對總線有很大要求的擴展卡。然而，隨著 3D 顯卡行業(yè)的騰飛，這種情況發(fā)生了變化，最好的顯卡配備了 PCI 連接器。結(jié)果，主板開始偏愛新總線而不是舊總線。隨著這些圖形加速器功能的增強和游戲利用這一點，PCI 總線的局限性變得顯而易見。

與之前的 ISA 和 VLB 一樣，PCI 是一種并行數(shù)據(jù)總線——這意味著 PCI 擴展槽中的所有卡都使用相同的總線，并且必須輪流傳輸和接收數(shù)據(jù)。對于圖形卡，這可能會有問題，因為它們很容易占用總線。英特爾通過在 1997 年開發(fā)加速圖形端口 (AGP：Accelerated Graphics Port) 解決了這個問題，它為顯卡提供了專門的 PCI 總線。

隨著舊千年向新千年的過渡，對更快總線的需求越來越大。英特爾推出 PCI 總線后不久，它成立了一個特別興趣小組 ( PCI-SIG )，以支持主板和擴展卡供應商確保其硬件符合規(guī)范。到 2000 年代初，這個小組由數(shù)百名成員組成，其中五家（康柏、戴爾、惠普、IBM 和微軟）與英特爾合作，以替代 PCI。

代號為 3GIO（第 3 代 I/O）的PCI-SIG于 2002 年 4 月宣布了其勞動成果，引入了名為PCI Express 的新技術(shù)。

PCI 與 PCI Express

盡管名稱相同，但 PCI Express（通常簡稱為 PCIe）和 PCI 總線幾乎沒有共同之處。最顯著的區(qū)別是 PCIe 是一個點對點系統(tǒng)——只有一個設備使用總線并且不與其他任何設備共享。在某些方面，這似乎 PCIe 只是升級的 AGP，但在數(shù)據(jù)傳輸方式上也存在顯著差異。

PCI 和 AGP 使用并行數(shù)據(jù)通信，同時發(fā)送和接收多位數(shù)據(jù)，而 PCIe 使用串行通信，每個周期只發(fā)送一位。這種方法消除了并行通信中可能發(fā)生并導致問題的時鐘偏差問題，最終使 PCIe 能夠以更高的時鐘速度運行。

PCI Express 選通脈沖的理想化圖

PCI 有 66 MHz 的絕對限制（擴展版本 PCI-X 可以達到 533 MHz），而 PCI Express 的最慢時鐘速度是驚人的 1250 MHz。

這種速度是通過使用低壓差分選通脈沖 (LVDS：low voltage differential strobes) 實現(xiàn)的——一對信號，相位相差 180 度，工作電壓僅為 PCI 和 AGP 使用的電壓的一小部分。

PCI Express 的串行特性還顯著減少了數(shù)據(jù)傳輸所需的電線/走線數(shù)量，PCI 需要 32 條，PCIe 只需 4 條。從技術(shù)上講，只需要兩個，每個選通脈沖一個，但是由于 PCI Express 是全雙工的，同時在兩個方向上發(fā)送信息，所以總是使用雙組成對的選通脈沖。

這組四根線更廣為人知的是PCIe 通道，規(guī)范通過乘法器指示使用的通道數(shù)，例如，x1 是一個通道，x4 是四個通道，x16 是十六個通道

通過LVDS系統(tǒng)的工作方式，單通道 PCIe 總線可以在一個方向上以大約 200 MB/s 的最低速率傳輸數(shù)據(jù)。在紙面上，它應該比這更高，但傳輸?shù)男畔⒈痪幋a并以 8 位數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送，每個連續(xù)的數(shù)據(jù)包沿著一個連續(xù)的通道發(fā)送。結(jié)果，由于編碼需要額外的位，實際數(shù)據(jù)速率總是較低。

串行通信和基于數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)合也意味著插槽連接中需要相對較少的引腳來管理所有內(nèi)容。任何 PCI Express 設備的最小值是 18，盡管不是所有的都需要使用。相比之下，PCI插槽至少需要56個，無論排列多緊湊，都不可避免地占用更多空間。

從左到右：PCIe x1、PCIe x16、PCI、PCIe x1、PCIe x16

也就是說，PCIe x16 插槽明顯比任何標準 PCI 或 AGP 插槽長，但沒有那么高。事實上，無論 PCI Express 擴展插槽的長度如何，它們的寬度和高度幾乎都是相同的（用于顯卡的插槽有時會高一點）——更長的插槽只是容納更多的傳輸通道。與電源和系統(tǒng)管理相關(guān)的一切都位于插槽的第一部分，塑料槽口之前。

PCI Express的普遍應用

從設計之初，創(chuàng)建 PCIe 的目的就是盡可能擴大用例范圍。為此，工程師使系統(tǒng)向后兼容 PCI，盡管只是在軟件方面。這意味著開發(fā)人員不必擔心重寫他們的軟件來識別和訪問任何使用 PCI Express 總線的設備——理論上，它可以簡單地工作。

為了充分利用新系統(tǒng)，硬件供應商設計他們的產(chǎn)品以將 PCI Express 完全整合到各種組件和結(jié)構(gòu)中。雖然這花了十年的大部分時間才實現(xiàn)，但高速通用總線最終取代了用于將 CPU 連接到主板其余部分以及所有擴展卡插槽的總線。

AMD 和英特爾都為 CPU 開發(fā)了自己的點對點超快速連接系統(tǒng)，前者在英特爾采用其QuickPath 互連技術(shù)將中央處理器連接到傳統(tǒng)上處理數(shù)據(jù)流的北橋芯片之前幾年推出了HyperTransport用于系統(tǒng)內(nèi)存和顯卡插槽。最終，該芯片將完全消失，嵌入到 CPU 本身中，兩家公司都轉(zhuǎn)而使用 PCI Express 連接到剩余的主板芯片——南橋。

今天選擇任何 AMD 和 Intel 的 CPU 和主板，您會看到處理器和南橋（現(xiàn)在被 Intel 稱為 PCH，被 AMD 簡稱為芯片組）都具有大型 PCI Express 控制器，有許多通道。

例如，AMD 的Ryzen 9 7950X處理器和X670E 主板芯片分別擁有 28 條和 20 條 PCIe 通道。對于 Ryzen CPU，它們被分配到專門的角色：16 個用于顯卡插槽，8 個用于兩個存儲驅(qū)動器，其余 4 個用于與主板通信。不過，X670E 芯片中的通道可用于各種數(shù)據(jù)場景，例如以太網(wǎng)、WiFi 和藍牙適配器，以及擴展槽和存儲驅(qū)動器。

PCI Express 的適應性對于存儲尤為重要——如今的主板具有兩個用于連接硬盤和固態(tài)驅(qū)動器（HDD 和 SSD）的主要插槽，即 SATA 和 M.2 插槽（后者如上所示）。如果我們查看技嘉的 X670E Aorus Xtreme型號，您會發(fā)現(xiàn)共有三個擴展槽、四個 M.2 插槽和六個 SATA 插槽。所有這些都使用 PCI Express！

然而，由于 CPU 和芯片組中的通道數(shù)量是固定的，因此它們不能同時使用，這對于當今大多數(shù)主板來說都是典型的情況。不幸的是，破譯圖形卡、附加卡和存儲驅(qū)動器的哪些組合可以工作并不是一件簡單的任務。

代個人電腦擁有大量用于連接各種設備的接口，但在幕后，它是一個 PCI Express 總線處理大多數(shù)設備的數(shù)據(jù)傳輸（其余為 USB）。

PCI Express 如何保持最新

多年來，硬件變得越來越強大，應用程序和游戲?qū)τ布囊笠苍絹碓礁?。自然地，PCI Express 從一開始就定期更新以滿足帶寬要求。

對更新的一個重要限制是對完全向后兼容性的要求。例如，PCIe 3.0 設備必須能夠在 PCIe 5.0 插槽中工作。這造成了一些故障，我們將在稍后介紹。

自 2003 年首次發(fā)布以來，PCI-SIG 已對規(guī)范進行了八次更新，主要修訂版具有更快的數(shù)據(jù)傳輸速率，以及對所采用的編碼方案（以減少帶寬損失）和信號完整性的改進。次要修訂側(cè)重于改進電源管理、控制系統(tǒng)和其他方面。

在每次修訂的開發(fā)過程中，PCI-SIG 的相關(guān)成員都會進行可行性研究，以確定哪些速度和功能可以在保持低成本的情況下切實進行大規(guī)模生產(chǎn)。這就是為什么對于 3.0 版，選通脈沖的時鐘速率僅增加了 60%，而不是像以前的版本那樣加倍。

3.0 版引入了更有效的編碼方案（具體來說，8b/10b 用于 1.0 和 2.0，而 128b/130b 用于 3.0 到 5.0），這就是有效帶寬相對于時鐘速度更高的原因。如果不需要編碼，PCIe 1.0 的有效帶寬將達到 0.313 GB/s。

對于 6.0 版，信號方法從NRZ 切換到 PAM4 （在GDDR6X內(nèi)存中使用），并且放棄了編碼以支持各種糾錯系統(tǒng)。

從帶寬數(shù)據(jù)來看，單根 DDR4-3200 RAM 的峰值吞吐量為 25 GB/s，因此 PCIe 6.0 的四通道可以與之匹配。這聽起來可能不是特別令人印象深刻，但對于日常 PC 和世界各地其他計算機器中使用的通用通信總線來說，這是一個顯著的改進。

但是，為什么 PC 現(xiàn)在才剛剛采用 PCIe 4.0 和 5.0，前者的規(guī)范早在 2017 年就發(fā)布了（而 5.0 是在那之后的兩年）？

它歸結(jié)為需求和成本問題。按照目前的情況，個人電腦有足夠的帶寬來在內(nèi)部移動數(shù)據(jù)，除了視頻游戲之外，家用電腦還沒有太大的空間需要 PCIe 6.0 之類的東西。

然而，在服務器領域，系統(tǒng)設計人員會很樂意使用他們可以獲得的所有帶寬，而且正是在該領域，我們可能會看到最先使用的最新規(guī)范。

提供電流的引腳都在最左邊，缺口之前

不過，并非每個更新版本都一帆風順，供電一直是系統(tǒng)的一個長期問題。無論設備使用何種尺寸的 PCIe 插槽，它們都帶有少量 +3.3 V 和 +12 V 引腳，用于提供運行設備所需的電流。

從第一個 PCIe 版本開始，+3.3V 引腳的組合電流限制為 3 A，并且根據(jù)插槽中使用的附加卡尺寸，+12 V 引腳的電流限制高達 5.5 A。

這意味著對于全長 x16 卡，該設備的功耗限制為 75.9 W，這對于當時絕大多數(shù)顯卡來說已經(jīng)足夠了。當然也有例外，例如2004 年夏季發(fā)布的Nvidia GeForce 6800 Ultra 。

它的最大功率需求略高于 80 W，超出了插槽所能提供的功率，解決方案采用 AMP 1-480424-0 的形式——更廣為人知的名稱是 Molex 連接器。根據(jù)零件的制造商和所用電纜的質(zhì)量，這可以提供額外的 130 W 功率。

然而，這一添加并不是 PCIe 規(guī)范的一部分，因此 PCI-SIG 以兩種設計的形式創(chuàng)建了自己的解決方案——一種包含 75 W 的 6 針腳，另一種包含 150 W 的 8 針腳。

最近，PCI-SIG 批準了 16 針設計，其中大部分開發(fā)來自 Nvidia（目前只有他們使用），它有 600 W 的限制。12VHPWR 連接器并非沒有爭議，AMD 和英特爾是否會采用該機制還有待觀察。

PCIe 的下一步是什么？

隨著 7.0 版計劃于 2025 年發(fā)布，PCI-SIG 沒有顯示出放慢技術(shù)發(fā)展的跡象，也不打算很快用任何截然不同的東西取而代之。

下一次更新預計數(shù)據(jù)傳輸速率將再次翻倍，但如果小組成員認為使用 128 Gbps 在經(jīng)濟上不明智，他們可能會稍微降低增加幅度?？紤]到目前 PCIe 5.0 的采用率，更不用說更新的規(guī)范了，家用 PC 在很多年內(nèi)都不太可能實現(xiàn)這樣的速度，可能要到 2030 年代中期。

但是讓我們假設 7.0 現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)布，每一個新硬件都準備就緒并且可以使用它——這能帶來什么好處？

首先，顯卡將連接到 CPU 中的 PCIe 控制器，帶寬為 242 GB/s。這與您在AMD Radeon RX 6600或Nvidia RTX 3050上找到的內(nèi)存帶寬大致相同。您可能認為這意味著筆記本電腦中的獨立 GPU 可以只使用系統(tǒng)內(nèi)存，而不需要它們自己的 RAM，從而節(jié)省資金和空間。

但是 PCIe 控制器仍然需要與 CPU 的內(nèi)存控制器通信以訪問系統(tǒng) RAM，即使是超快的 DDR5，例如 DDR5-7200，每個 DIMM 也只能提供大約 58 GB/s 的速度。換句話說，盡管 PCIe 7.0 總線速度很快，但 GPU 仍將受到使用系統(tǒng)內(nèi)存的限制。

因此，如果 GPU 不會受益，那么存儲驅(qū)動器呢？目前，最快的 NVMe M.2 SSD只能達到 PCIe 4.0 x4 總線的極限，即便如此，也只是在非常特殊和短暫的情況下。當然，隨著時間的推移會出現(xiàn)更快的驅(qū)動器，但也有更快版本的 PCI Express。

今天的臺式機 CPU 通過 PCIe 總線連接到主板芯片組，AMD 在其最新的 Ryzen 7000 系列中使用 v5.0，而英特爾使用自己的系統(tǒng)稱為直接媒體接口 (DMI)，除了名稱之外，它就是 PCIe。

PCI Express 通道不會在 CPU 中占用更多空間

兩家供應商都沒有跡象表明此鏈接以任何方式限制了性能——如果是的話，CPU 將使用更多通道，因為與芯片的其余部分相比，每個通道所需的裸片空間量很小。

這可能會讓您認為不斷更新 PCI Express 規(guī)范是在浪費時間，但這是為了讓所有硬件供應商盡早就標準達成一致，以便他們有足夠的時間為他們開發(fā)產(chǎn)品和制造方法。

PCIe 現(xiàn)在和 USB 一樣無處不在，就像它的串行表親現(xiàn)在是通過外圍設備移動數(shù)據(jù)的通用主干一樣，PCI Express 是計算機內(nèi)部的標準。PC 行業(yè)依靠 PCI Express 來滿足所有可能的需求，同時又具有成本效益。

人工智能、數(shù)據(jù)和計算服務器等專用應用程序?qū)⑹冀K按照自己的方式發(fā)展，并采用滿足其需求的獨特技術(shù)，但對于日常 PC 和大多數(shù)工作站，PCI Express 是連接之王，并將持續(xù)數(shù)十年來。

審核編輯：劉清