什么是PCI Express 標(biāo)準(zhǔn)
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本白皮書主要著眼已經(jīng)得到廣泛采用的PCI 總線的成功優(yōu)勢所在，同時詳細(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)用于未來各種計算機(jī)平臺。本白皮書還將就PC 總線技術(shù)的演變歷程、PCI Express 的物理層和軟件層、PCI Express 所能帶來的益處和競爭優(yōu)勢以及此項嶄新技術(shù)在測量自動化系統(tǒng)領(lǐng)域里預(yù)示的令人振奮的深遠(yuǎn)意義，做個整體技術(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。
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和以前的總線相比，PCI 總線具有很多優(yōu)勢，其中最重要的是處理器的獨立性，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現(xiàn)了CPU 局域總線和 PCI 總線間在電路和時鐘方面的隔離。這一特性能為系統(tǒng)性能帶來兩個主要好處。首先是 PCI 總線和CPU 總線可以工作在各自的時鐘周期；第二是由于有獨立的PCI 總線速度和負(fù)載，可單獨提高CPU 局域總線的頻率。通過總線主控，PCI 設(shè)備以仲裁處理方式訪問 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I/O 處理業(yè)務(wù)的等待時間減少。即插即用操作，可以自動檢測和配置設(shè)備，得到基本地址不再需要中斷運行和手工設(shè)置開關(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)傳輸這樣的實時數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)以及沒有下一代I/O 所需的服務(wù)質(zhì)量，以及電源管理和虛擬I/O 等問題。
自從PCI 推出以來，我們不斷完善PCI 的各項規(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：
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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間，如果不能滿足這一點，有經(jīng)驗的用戶也會束手無措。原始的PCI 規(guī)范并沒有考慮這些問題，這是因為在制定規(guī)范時上述應(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€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)存就能實現(xiàn)緩沖功能，從而把所使用的可變帶寬降至最低。
最后，對下一代I/O 的要求如服務(wù)質(zhì)量測量和電源管理等，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)備對于現(xiàn)代PC 不斷增加的電源功率來說這是需要重點考慮的。虛擬通道允許數(shù)據(jù)通過虛擬路由來傳送；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時，但是轉(zhuǎn)變到PCI Express 還要經(jīng)過一個長期過程，并且未來許多年里PCI 總線將仍然是I/O 擴(kuò)展的強(qiáng)有力競爭者。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 將會同時配有PCI 插槽和PCI Express 插槽。
PCI Express 構(gòu)架
如圖 2 所示，即 PCI Express 的層次體系結(jié)構(gòu)。它保持了與 PCI 尋址模式（加載－存儲體系結(jié)構(gòu)且具有單層地址空間）的兼容性，從而保證了所有現(xiàn)有的應(yīng)用程序和驅(qū)動操作無需改變。PCI Express 配置使用的是PCI 即插即用標(biāo)準(zhǔn)中所定義的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)制。軟件層發(fā)出讀和寫請求，并使用基于數(shù)據(jù)包、分段傳輸?shù)膮f(xié)議通過處理層傳輸至I/O 設(shè)備。
鏈路層向這些數(shù)據(jù)包添加序列號和循環(huán)冗余校驗（CRC ）從而創(chuàng)建了一個高度可靠的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制?；镜奈锢韺影▋蓚€單工通道，即傳輸對和接收對。這個傳輸對和接收對一起被稱為一個信道。2.5 Gb/s 的初始速度提供了在每個PCI Express 信道上每個方向上大約250 MB/s 標(biāo)準(zhǔn)帶寬。一旦考慮協(xié)議頭，這其中大約200 MB/s 由設(shè)備用來傳輸數(shù)據(jù)。這一速率是大多數(shù)典型 PCI 設(shè)備的 2 番到 4 番。而且不同于 PCI 的是，只要總線帶寬在設(shè)備之間共享，每一個設(shè)備都 具有此帶寬。
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