什么是PCI Express 标准(上)

本白皮书主要着眼已经得到广泛采用的PCI |0">PCI 总线的成功优势所在，同时详细介绍下一代高性能I/O 互连技术PCI Express 它将作为标准的局域I/O 总线被广泛应用于未来各种计算机平台。本白皮书还将就PC 总线技术的演变历程、PCI Express 的物理层和软件层、PCI Express 所能带来的益处和竞争优势以及此项崭新技术在测量自动化系统领域里预示的令人振奋的深远意义，做个整体技术性概述。

PC 的演进历史

上世纪90 年代初，PCI 总线一经推出，即统一了当时并存的多种I/O 总线，诸如VESA 局域总线，EISA，ISA 和微通道等等，如图1所示。它首先被用于实现芯片与芯片间互连并替代了不全面的 ISA 总线。在早期，33MHz PCI总线很好地满足了当时主流外设I/O 的带宽需要。然而现在情况发生了变化，处理器速度惊人地提高，以及处理器和内存的频率也不断 地攀升。在这一期间，PCI 总线的频率由33MHz 提高到66MHz， 而处理器的速度由33MHz 提高到3GHz 。一个具有新I/O 技术的总线设备如千兆以太网和 IEEE 1394B ，就可能占用几乎所有 PCI 总线带宽。

PCI 总线历史和概述

和以前的总线相比，PCI 总线具有很多优势，其中最重要的是处理器的独立性，带缓冲的隔离，总线主控和真正的即插即用。带缓冲的隔离真正地实现了CPU 局域总线和 PCI 总线间在电路和时钟方面的隔离。这一特性能为系统性能带来两个主要好处。首先是 PCI 总线和CPU 总线可以工作在各自的时钟周期；第二是由于有独立的PCI 总线速度和负载，可单独提高CPU 局域总线的频率。通过总线主控，PCI 设备以仲裁处理方式访问 PCI 总线并且能直接控制总线处理业务，而不用等主CPU 为设备提供服务，从而使得整个I/O 处理业务的等待时间减少。即插即用操作，可以自动检测和配置设备，得到基本地址不再需要中断运行和手工设置开关跳线，而这些都曾使 ISA 板卡的用户感到很棘手。

PCI 面临的挑战

出色的 PCI 已经享受到了成功的殊荣，而今开始面临一系列新的挑战，包括带宽的限制，主管脚数的限制，缺乏如同步数据传输这样的实时数据传输服务以及没有下一代I/O 所需的服务质量，以及电源管理和虚拟I/O 等问题。
自从PCI 推出以来，我们不断完善PCI 的各项规格，试图跟上日益增加的更高I/O 要求。各阶段具体革新总结如下表所示：

对于PCI 和由其衍生的总线来说，协议开销和总线拓扑结构导致可使用的总线带宽要小于理论带宽。总线上的设备要共享可用带宽，这是PCI 主要的局限性。由于PCI 的时钟频率已不能满足某些应用的要求，由其衍生出来的其它一些总线，如PCI-X 和高级图像端口（AGP ），则通过提高总线频率来缓解带宽的压力。增加频率的副作用是总线连通距离和总线收发器可驱动连接器的数量也会相应缩短和减少，这样就导致了对PCI 总线的分割。每个片断都需要一个完整的 PCI-X 总线来连通主驱动芯片和所有功能插槽。例如，每一部分64 位的PCI-X 需要150 个管脚。很显然，要实现这样的连线，板层数和芯片封装引脚都会有很大的难度并且成本非常昂贵。这种额外的成本只有在对带宽有严格要求的情况下才有价值，如服务器。

诸如数据采集，波形生成，包含音频和视频流的多媒体应用等需要保证带宽和有确定的等待时间，如果不能满足这一点，有经验的用户也会束手无措。原始的PCI 规范并没有考虑这些问题，这是因为在制定规范时上述应用并不普及。如今的同步数据传输，如高清晰度的无压缩视频和音频，要求I/O 系统包含同步传输功能。同步传输的另一个作用是：和典型的PCI 设备相比，局域 PCI Express 设备只用少得多的内存就能实现缓冲功能，从而把所使用的可变带宽降至最低。

最后，对下一代I/O 的要求如服务质量测量和电源管理等，能提高数据的完整性并允许有选择地关闭系统设备对于现代PC 不断增加的电源功率来说这是需要重点考虑的。虚拟通道允许数据通过虚拟路由来传送；即使其它通道被更重要的处理业务所阻塞，也一样能进行数据传输。

尽管 PCI 总线在某些方面已有些过时，但是转变到PCI Express 还要经过一个长期过程，并且未来许多年里PCI 总线将仍然是I/O 扩展的强有力竞争者。随着PCI Express 技术日益赢得认可和广泛采用，2004 年以及此后推出的新型PC 将会同时配有PCI 插槽和PCI Express 插槽。