聊聊PCIe Bus总线

今天这篇文章，我们来聊聊PCIe Bus（PCIe总线）。 Bus在国内被理解成汽车，在国内还有一种解释是总线的意思。其实这两种翻译还是有共通之处。以我们生活中例子来说，Bus是两个城市中沟通的重要连通方式，而总线则是计算机之间联通的重要方式。 我们想从天津去北京办点事，那么可以乘坐长途大巴，电脑则需要通过PCIe的Bus。简单来说，Bus总线是多个硬件之间的一条通信公路。

与公路相对应的是，PCIe也有不同的规范，就像高速一样，不同的道路也有不同的限速，比如国道和高速，宽度和最高行驶速度都不同。这个就对应着PCIe1.0、PCIe2.0、PCIe3.0、PCIe4.0这些规范。

但即使是同一条公务，行驶在不同的线路上也有不同的限速，这个就是跟PCIe1.0不同扩展槽的性能类似，例如PCIE x16/x8/x4/x1四种扩展方式能够支持的最大传输速度也是不一样的。 可以说，PCIe总线是计算机设备树的重要组成部分，几乎所有外围硬件的扩展都需要PCIe上，今天我们就来聊聊PCIe发展史。  

01 挖挖PCIe的祖先们

在多年以前，计算机主板上不同的设备所使用的的总线接口是完全不一样的，硬盘有硬盘对应的总线接口，网卡有网卡对应的总线接口。 这样好处是每个设备都有对应的总线接口，优化性能简单。但对于个人来说，随着扩展设备的逐渐增多，如果都在主板上扩展对应的总线接口，有点得不偿失，同时造成了主板拓展的局限性，也对硬件规格的统一带来很多的不便。 为了解决这个瓶颈，IBM和Intel联手，在1981年第一代IBM PC XT机型上采用了第一代ISA插槽，作为现代PC的开山之作，当时8位的ISA提供了4.77MB/s的带宽（或传输率）。

由于兼容性好，一经推出，ISA总线就受到了各个厂商的欢迎，成为了上个世纪80年代最广泛使用的系统总线。但由于ISA使用的是并行总线，当时的抗干扰技术也不成熟，就导致ISA总线的带宽不能设计的很高，只能达到8MB/s的速率。 这个传输速度对于在90年代逐渐出现的像图像这种大数据传输需求来说还是有点"不够劲儿"。 除了速度慢这个缺点，还有就是ISA总线接口上的设备不能自动配置，无法即插即用。再加上IBM自作聪明在PS/2产品线上引入了MCA总线，迫使其他几家PC兼容机厂商联合起来捣鼓出来EISA。这些都导致了ISA总线最终被淘汰。 在1992年，Intel搞出了自己的杀招，提出PCI（Peripheral Component Interconnect）总线协议，并靠着自己在PC领域的强大影响力，召集了一堆小伙伴组成了名为 PCI-SIG (PCI Special Interest Group)（PCI 特殊兴趣组J）的企业联盟。从那以后这个组织就负责PCI总监的标准制定和推广。

不得不点赞下Intel这种先见之明，在90年代就开始建立自己的"朋友圈"，相比于封闭的IBM，英特尔合作共赢的心态让PCI标准得到了广泛推广和使用。统一的标准也有利于外围设备制造商的创新，从那以后各种各样的PCI设备应运而生，丰富了PC的整个生态环境。 相比ISA总线，PCI总线带宽升级到了132MB/s，速度提升非常明显。再就是支持自动配置，即插即用。

但PCI总线也并不是完美的，PCI总线跟ISA总线都是使用了并行总线设计，所以传输速度也受到了影响。再就是PCI总线的带宽共享机制，在高负载下，其他设备可能会出现抢带宽的现象，也不支持热插拔。 于是为了解决PCI总线的缺陷，技术再一次进行了升级革新，2004年，Intel再一次带领小伙伴革了PCI的命也就是本篇文章要说的PCI Express（简称PCIe）总线了。如今计算机已经开始是第五代(gen5，5.0)，而且在计算机中更是更为了不可或缺的存在。

如今，PCIe可以支持的设备非常多，常见的有显卡、固态硬盘（PCIe接口形式）、无线网卡、有线网卡、声卡、视频采集卡、PCIe转接M.2接口、PCIe转接USB接口、PCIe转接Tpye-C接口等。

02 PCIe的传输速度和宽度

PCIe总线有两种存在形式，一种是接口、一种是通道。当PCIe以接口形式存在的时候，就是主板上横着的长槽。有人可能会问，这长槽有啥作用，为啥我的主板上的长槽长短不一呢？

这些长槽其实是PCIe不同的接口，常见的PCIe接口主要有四种尺寸，X1、X4、X8、X16，一般情况下四种尺寸的插槽最大带宽是不同的。它们的速度是不一样的，X16的PCIe速度就是X8的两倍，X8就是X4的两倍。当然，上面这段话都是建立在同一代PCIe总线之上的。

那么PCIe的吞吐量是怎么算出来的呢？首先我们来看下不同PCIe接口尺寸的计算公式：吞吐量=传输速率*编码方案*物理信道Lane 以PCIe4.0x4为例，该系列为4.0版本的PCIe，包含4个物理信道Lane，每个通道的吞吐量为： 16GT/s x 128b/130b =1.969GB/s 所以PCIe4.0x4的吞吐量为：1.969GB/s x 4 = 7.877GB/s，如果是PCIe4.0x16，吞吐量最大就是64GB/s。



除了吞吐量不同，不同的PCIe的尺寸的应用有啥不同呢？我们就来详细看下X1、X4、X8、X16的应用情况。



PCIe x16插槽：如上图所示，PCIe x16插槽全长89mm，有164根针脚，靠主板外侧端有一卡口，将16x分为前后两组，较短的插槽有22根针脚，这个是用于供电，每个尺寸的插槽都有这个22根针脚的供电设计。较长的插槽142根，主要用于数据传输，具有16通道所带来的高带宽。 目前来看，PCIe x16插槽，主要用于GPU显卡以及RAID阵列卡等，这个插槽拥有优良的兼容性，可以向下兼容x1/x4/x8级别的设备，而且具有更强的传输性能，可以说是PCIE x16插槽是PCIE的万能插槽。 由于PCIe x16插槽常用于显卡，与CPU处理器直接相通，在物理位置上直接靠近CPU，这样显卡与处理器之间的数据交换就可以减少延迟，让系统的性能可以得到充分的发挥。

PCIe x8插槽：全长56mm，有98根针脚，与PCIe x16比较，主要是数据针脚减少至76根，短的供电针脚仍然是22针脚。 为了兼容性，PCIe x8插槽通常加工成PCIE x16插槽的形式，但数据针脚只有一半是有效的，也就是说实际带宽只有真正的PCIE x16插槽的一半。可以观察主板布线，x8的后半段没有线路连接，甚至针脚也没有焊接。 实际上除了旗舰级或服务器的主板，能提供多条真正的PCIex16插槽外，大多数的主板，只会提供一条真正的PCIe x16插槽，就是最靠近CPU的那条。而第二条和第三条PCIe x16插槽，则多数是PCIe x8甚至是x4级别的。

PCIe x4插槽：长度为39mm，同样是在PCIE x16插槽的基础上，以减少数据针脚的方式实现，主要用于PCIe SSD固态硬盘，或者是通过PCIE转接卡安装的M.2 SSD固态硬盘。 PCIe x4插槽通常由主板芯片扩展而来，不过随着cpu内部PCIE通道数的增多，现在有部分高端主板可以开始提供直连cpu的PCIE x4插槽，用于安装PCIE SSD固态硬盘。 不过与PCIe x8插槽一样，PCIe x4插槽为了兼容性，现在多数也是做成PCIe x16插槽的形式，或是扩展为M.2接口，用于安装M.2 SSD、M.2无线网卡或者其它M.2接口设备，其余扩展卡则留给PCIE x1插槽负责。

PCIE x1插槽：长度仅有25mm，相比PCIE x16插槽，其数据针脚是大幅度减少至14个。PCIE x1插槽的带宽通常由主板芯片提供，主要用途是独立网卡、独立声卡、USB 3.0/3.1扩展卡等都会用到PCIE x1插槽，甚至可以通过转接线给PCIE x1插槽装上显卡，用来挖矿或者实现多屏输出。 X1的另外一个重要作用就是是用来替代原来的PCI设备的。  

03 PCIe未来会怎样？

PCIe接口从2001年发展至今，在协议的完整性上已经建立足够高的"护城河"，重新定义一个接口协议在性能上超越PCIe，短期内一方面没有企业会有这个动力，另一方面技术的维度，也没有可预期的雏形创新。 但"成"也Intel ，"阻碍"也在Intel。 我们都知道，Intel在CPU发展方面一直以"挤牙膏"著称，其实在PCIe方面，Intel挤牙膏那是更严重。 一般来说，规范确定到商品化需要1～2年的时间，就像摩尔定律估算的差不多，每过1~2年，其实产品就需要升级进化。 但是靠着英特尔靠着自己的垄断优势，在PCIe升级方面则是亦步亦趋。从2004年发布PCIe1.0以后，到2023年新一代服务器的发布，PCIe5.0才开始逐渐出现在主板上。 而且可以说，PCIe 5.0是PCIe发展的重要分水岭，这是因为人算不如天算，Intel没想到大数据AI、视觉渲染、基因分析以及EDR仿真等需求的突然爆发，让PCIe的数据传输已经赶不上GPU的需求。

为了解决PCIe在数据传输的限制，早在几年前，市场上几种不同的传输和内存语义协议逐渐出现--IBM的OpenCAPI内存接口协议、Xilinx的CCIX协议、NVIDIA的NVLink协议、惠普企业版的Gen-Z协议，都是为了解决PCIe4.0传输过慢的问题。 眼看着大家都在革PCIe的"命"，在2019年3月份Intel推出了CXL（Compute Express Link）协议接口，将CXL协议封装到PCIE链路层数据包中传送，并在CPU端的PCIE总控后端按照事务标识分流CXL专属事务给CXL处理逻辑处理。 Intel希望能够让CPU与GPU、FPGA或其他加速器之间实现高速高效的互联，从而满足高性能异构计算的要求。最值得注意的是CXL标准的接口规格与PCIe 5.0是兼容的，从而让CXL协议让PCIe5.0上可以运行，进一步巩固PCIe在计算机里的影响力。



Intel的策略是，既然CPU等需求趋势已经来袭，堵不如疏，不如把GPU、DPU等用作一把刀，来与NVIDIA形成某种制衡，如今，NVIDIA也加入了CXL联盟，对Intel来说，反正我建了通往内存的"高速路"，你GPU怎么走都得听我的。

通过这种方式，也能进一步制衡GPU的发展，一颗CPU想支持几个GPU，还得通过Intel说了算。 值得注意的是，第四代英特尔至强可扩展处理器每一颗处理器支持最多4个CXL设备，支持CXL Type1和CXL Type2。）这些将提升服务器的综合能力，为内存密集型和IO密集型场景提供更高价值。

04 最后

2022年1月，PCI-SIG 组织今日正式发布了 PCIe 6.0 标准。作为CXL 3.0软件栈协议规范的物理连接承载平台，PCIe 6.0主要用于CPU与GPU（AI加速器）、CPU与DPU（智能万卡NIC）、以及CXL内存模块（可以理解为其他CPU DDR内存）的连接，对应的应用场景，如大内存、以及不同外设缓存之间的直接数据交换。 对于这些场景而言，PCIe 6.0接口子系统高达64GT/s的数据传输速率，对于异构计算架构的影响意义重大。

审核编辑：刘清