什么是PCI Express 標(biāo)準(zhǔn)（上）

本白皮書(shū)主要著眼已經(jīng)得到廣泛采用的PCI |0">PCI 總線的成功優(yōu)勢(shì)所在，同時(shí)詳細(xì)介紹下一代高性能I/O 互連技術(shù)PCI Express 它將作為標(biāo)準(zhǔn)的局域I/O 總線被廣泛應(yīng)用于未來(lái)各種計(jì)算機(jī)平臺(tái)。本白皮書(shū)還將就PC 總線技術(shù)的演變歷程、PCI Express 的物理層和軟件層、PCI Express 所能帶來(lái)的益處和競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)以及此項(xiàng)嶄新技術(shù)在測(cè)量自動(dòng)化系統(tǒng)領(lǐng)域里預(yù)示的令人振奮的深遠(yuǎn)意義，做個(gè)整體技術(shù)性概述。

PC 的演進(jìn)歷史

上世紀(jì)90 年代初，PCI 總線一經(jīng)推出，即統(tǒng)一了當(dāng)時(shí)并存的多種I/O 總線，諸如VESA 局域總線，EISA，ISA 和微通道等等，如圖1所示。它首先被用于實(shí)現(xiàn)芯片與芯片間互連并替代了不全面的 ISA 總線。在早期，33MHz PCI總線很好地滿足了當(dāng)時(shí)主流外設(shè)I/O 的帶寬需要。然而現(xiàn)在情況發(fā)生了變化，處理器速度驚人地提高，以及處理器和內(nèi)存的頻率也不斷 地攀升。在這一期間，PCI 總線的頻率由33MHz 提高到66MHz， 而處理器的速度由33MHz 提高到3GHz 。一個(gè)具有新I/O 技術(shù)的總線設(shè)備如千兆以太網(wǎng)和 IEEE 1394B ，就可能占用幾乎所有 PCI 總線帶寬。
PCI 總線歷史和概述

和以前的總線相比，PCI 總線具有很多優(yōu)勢(shì)，其中最重要的是處理器的獨(dú)立性，帶緩沖的隔離，總線主控和真正的即插即用。帶緩沖的隔離真正地實(shí)現(xiàn)了CPU 局域總線和 PCI 總線間在電路和時(shí)鐘方面的隔離。這一特性能為系統(tǒng)性能帶來(lái)兩個(gè)主要好處。首先是 PCI 總線和CPU 總線可以工作在各自的時(shí)鐘周期；第二是由于有獨(dú)立的PCI 總線速度和負(fù)載，可單獨(dú)提高CPU 局域總線的頻率。通過(guò)總線主控，PCI 設(shè)備以仲裁處理方式訪問(wèn) PCI 總線并且能直接控制總線處理業(yè)務(wù)，而不用等主CPU 為設(shè)備提供服務(wù)，從而使得整個(gè)I/O 處理業(yè)務(wù)的等待時(shí)間減少。即插即用操作，可以自動(dòng)檢測(cè)和配置設(shè)備，得到基本地址不再需要中斷運(yùn)行和手工設(shè)置開(kāi)關(guān)跳線，而這些都曾使 ISA 板卡的用戶感到很棘手。

PCI 面臨的挑戰(zhàn)

出色的 PCI 已經(jīng)享受到了成功的殊榮，而今開(kāi)始面臨一系列新的挑戰(zhàn)，包括帶寬的限制，主管腳數(shù)的限制，缺乏如同步數(shù)據(jù)傳輸這樣的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)以及沒(méi)有下一代I/O 所需的服務(wù)質(zhì)量，以及電源管理和虛擬I/O 等問(wèn)題。
自從PCI 推出以來(lái)，我們不斷完善PCI 的各項(xiàng)規(guī)格，試圖跟上日益增加的更高I/O 要求。各階段具體革新總結(jié)如下表所示：
對(duì)于PCI 和由其衍生的總線來(lái)說(shuō)，協(xié)議開(kāi)銷和總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)導(dǎo)致可使用的總線帶寬要小于理論帶寬。總線上的設(shè)備要共享可用帶寬，這是PCI 主要的局限性。由于PCI 的時(shí)鐘頻率已不能滿足某些應(yīng)用的要求，由其衍生出來(lái)的其它一些總線，如PCI-X 和高級(jí)圖像端口（AGP ），則通過(guò)提高總線頻率來(lái)緩解帶寬的壓力。增加頻率的副作用是總線連通距離和總線收發(fā)器可驅(qū)動(dòng)連接器的數(shù)量也會(huì)相應(yīng)縮短和減少，這樣就導(dǎo)致了對(duì)PCI 總線的分割。每個(gè)片斷都需要一個(gè)完整的 PCI-X 總線來(lái)連通主驅(qū)動(dòng)芯片和所有功能插槽。例如，每一部分64 位的PCI-X 需要150 個(gè)管腳。很顯然，要實(shí)現(xiàn)這樣的連線，板層數(shù)和芯片封裝引腳都會(huì)有很大的難度并且成本非常昂貴。這種額外的成本只有在對(duì)帶寬有嚴(yán)格要求的情況下才有價(jià)值，如服務(wù)器。

諸如數(shù)據(jù)采集，波形生成，包含音頻和視頻流的多媒體應(yīng)用等需要保證帶寬和有確定的等待時(shí)間，如果不能滿足這一點(diǎn)，有經(jīng)驗(yàn)的用戶也會(huì)束手無(wú)措。原始的PCI 規(guī)范并沒(méi)有考慮這些問(wèn)題，這是因?yàn)樵谥贫ㄒ?guī)范時(shí)上述應(yīng)用并不普及。如今的同步數(shù)據(jù)傳輸，如高清晰度的無(wú)壓縮視頻和音頻，要求I/O 系統(tǒng)包含同步傳輸功能。同步傳輸?shù)牧硪粋€(gè)作用是：和典型的PCI 設(shè)備相比，局域 PCI Express 設(shè)備只用少得多的內(nèi)存就能實(shí)現(xiàn)緩沖功能，從而把所使用的可變帶寬降至最低。

最后，對(duì)下一代I/O 的要求如服務(wù)質(zhì)量測(cè)量和電源管理等，能提高數(shù)據(jù)的完整性并允許有選擇地關(guān)閉系統(tǒng)設(shè)備對(duì)于現(xiàn)代PC 不斷增加的電源功率來(lái)說(shuō)這是需要重點(diǎn)考慮的。虛擬通道允許數(shù)據(jù)通過(guò)虛擬路由來(lái)傳送；即使其它通道被更重要的處理業(yè)務(wù)所阻塞，也一樣能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

盡管 PCI 總線在某些方面已有些過(guò)時(shí)，但是轉(zhuǎn)變到PCI Express 還要經(jīng)過(guò)一個(gè)長(zhǎng)期過(guò)程，并且未來(lái)許多年里PCI 總線將仍然是I/O 擴(kuò)展的強(qiáng)有力競(jìng)爭(zhēng)者。隨著PCI Express 技術(shù)日益贏得認(rèn)可和廣泛采用，2004 年以及此后推出的新型PC 將會(huì)同時(shí)配有PCI 插槽和PCI Express 插槽。