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新一代PCI Express總線連結(jié)技術(shù)的崛起，將取代PCI總線

現(xiàn)在的主機(jī)板跟從前的不一樣了,。從過(guò)去十多年來(lái),，整個(gè)PC產(chǎn)業(yè)都在建構(gòu)PCI(PeripheralComponent Interconnect)匯流排技術(shù)，而且所有電子工程科系的學(xué)生也都學(xué)習(xí)這項(xiàng)技術(shù)。然而PCI規(guī)格卻已過(guò)時(shí),，因?yàn)镻CI己無(wú)法滿足新一代消費(fèi)性裝置以及電腦週邊產(chǎn)品使用的需求,，因此越來(lái)越多系統(tǒng)設(shè)計(jì)業(yè)者也表明「需要跳過(guò)PCI，并使用準(zhǔn)備好解決下一代傳輸頻寬需求的PCIExpress,?！?nbsp;

事實(shí)上，PCIExpress目前被廣泛認(rèn)為是一項(xiàng)革命性的轉(zhuǎn)移技術(shù),，其重要性是可以滿足企業(yè)用戶,、消費(fèi)者，以及網(wǎng)路使用者對(duì)頻寬持續(xù)不斷提升的需求?，F(xiàn)今最重要的資料通訊設(shè)備平臺(tái)以及個(gè)人電腦配備都采用PCI介面,，但為了支援未來(lái)持續(xù)增加的頻寬需求，則有轉(zhuǎn)換成PCIExpress介面的必要性,。 

PCI逐漸轉(zhuǎn)移到另一項(xiàng)新世代匯流排技術(shù)的現(xiàn)象并不令人差異，但要探討為何業(yè)界要采用一項(xiàng)新技術(shù)去取代一項(xiàng)原有的技術(shù),，則是相當(dāng)有趣的話題,。而PCIExpress匯流排技術(shù)因?yàn)榫邆浔姸嗉夹g(shù)優(yōu)點(diǎn)，所以才能脫穎而出,。 

PCI Express解決頻寬需求 

第一個(gè)因頻寬需求增加而不適用PCI的周邊配備是高速影像卡,。為了解決這個(gè)問(wèn)題，業(yè)界改用影像處理加速埠(AdvancedGraphics Port, AGP)作為特殊的視訊匯流排,。采用AGP技術(shù)的廠商甚至將AGP直接連接到Intel ICH5芯片組的記憶體控制器(MCH),，使AGP的頻寬提升到每秒2GB。為了像AGP一樣提升頻寬,，其他週邊配備也紛紛效尤,，最后如音效卡與USB之類的配備，幾乎都和主機(jī)板的晶片組直接連結(jié)以獲得足夠的頻寬,。也因此整個(gè)PC架構(gòu)需要一個(gè)新的擴(kuò)充匯流排,，以支援像Gigabit乙太網(wǎng)路(GBE)的高頻寬週邊配備。 

為了解決頻寬需求的問(wèn)題,，許多技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)陸續(xù)問(wèn)世卻也很快就被淘汰,，例如更快、頻寬更多的PCI規(guī)格,，以及某些伺服器設(shè)計(jì)所采用的PCI-X匯流排,，都只是曇花一現(xiàn)。最后,，Intel公司計(jì)劃更改主機(jī)板晶片組的標(biāo)準(zhǔn),，并說(shuō)服PCISIG組織采用它的3GIO(3rd Generation I/O)標(biāo)準(zhǔn)，最后更公布將這項(xiàng)介面標(biāo)準(zhǔn)改名為PCIExpress。 

PCI Express是一種具擴(kuò)充性的的匯流排,，在首項(xiàng)規(guī)格改版中,，在2.5Ghz的訊號(hào)速度下可提供從每秒250Mb到每秒8Gb的訊號(hào)傳輸率。甚至可以透過(guò)增加時(shí)脈速度或匯流排寬度的方式獲得更高的頻寬,。PCIExpress最重要的技術(shù)效益之一,，在于這個(gè)介面具備與PCI軟體的回溯相容性，使目前基本輸出入系統(tǒng)(BIOSes)以及作業(yè)系統(tǒng)皆能維持相同的運(yùn)作方式,。 

PCI Express有一項(xiàng)很有趣的特色,，就是這個(gè)規(guī)格可用兩種方式擴(kuò)充(見表1)。最初的規(guī)格要求每個(gè)傳輸方向需要每秒2.5Gb或相當(dāng)于大約每秒250Mb的雙向傳輸,，平均上傳與下載的頻寬幾乎是目前PCI匯流排的兩倍,。另外，需要更高頻寬的裝置與插槽還可增加額外的通道,，可能的選擇包括x2,、x4、x8,、x12,、x16或x32之通道頻寬(見圖2)，然而16通道(x16)預(yù)計(jì)將成為新一代繪圖匯流排介面,。 

這套規(guī)格的另一項(xiàng)效益在于可以將匯流排延伸到PC機(jī)殼之外,。PCIExpress SIG組織從2003年開始，便積極擬定一套PCIExpress的線材規(guī)格,。一旦這套規(guī)格完成,，PCIe匯流排將可用來(lái)連接PC外部的高頻寬週邊配備。 

PCI Express可達(dá)到短時(shí)間轉(zhuǎn)移 

PCI Express和PC系統(tǒng)中的PCI架構(gòu)十分相似,，都是以週邊連接匯流排的型態(tài)建構(gòu)于南橋晶片中,。此外，PCIExpress也由北橋晶片中延伸出來(lái),，以供繪圖卡使用,。圖3顯示低價(jià)PC系統(tǒng)之PCI Express建構(gòu)方式。雖然目前很多週邊連接設(shè)備仍采用PCI介面,，但為了迎合未來(lái),，更高傳輸頻寬的需求將會(huì)在短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)移到PCIExpress介面。 

由于具備優(yōu)異的基礎(chǔ)架構(gòu)和PCI在軟體上的回溯相容性,，因此PCIExpress介面的轉(zhuǎn)移可以說(shuō)是輕而易舉,。此外，全球產(chǎn)業(yè)對(duì)PCI介面都相當(dāng)熟悉,，因此轉(zhuǎn)移到PCIExpress是相當(dāng)合理的選擇,。以下讓我們來(lái)探討典型PCIExpress傳輸?shù)倪^(guò)程,，以瞭解其中資料傳輸?shù)穆窂健?nbsp;

PCI Express可降低一半的回傳延遲率 

為了完整解釋PCIExpress的效益，讓我們來(lái)看看PCIExpress在實(shí)際應(yīng)用中是如何進(jìn)行的,。以網(wǎng)頁(yè)瀏覽器的應(yīng)用為例,，這項(xiàng)應(yīng)用可能需要讀取從乙太網(wǎng)路卡中已經(jīng)接收的一些資料。為了讀取資料,，瀏覽器會(huì)產(chǎn)生讀取記憶體緩沖區(qū)的要求,，而這個(gè)要求經(jīng)過(guò)數(shù)個(gè)軟體層的傳播之后，最后會(huì)到達(dá)硬體抽象層(HAL),。HAL屬于Windows作業(yè)系統(tǒng)的一部份,，可將各種邏輯位址轉(zhuǎn)譯為實(shí)體位址。一旦這項(xiàng)要求通過(guò)HAL,，CPU將會(huì)執(zhí)行實(shí)體記憶體位址的讀取動(dòng)作,，此時(shí)這個(gè)CPU執(zhí)行緒必須等候讀取動(dòng)作的完成。 

一旦讀取動(dòng)作的傳輸離開CPU之后,，將會(huì)經(jīng)過(guò)前端匯流排(FSB,，如上面圖3所示)進(jìn)入北橋晶片(也稱為記憶體控制器集線器(MCH)或Root Complex)。北橋晶片檢視傳輸?shù)奈恢?，發(fā)現(xiàn)目的地是南橋晶片(也稱為ICH或IO集線控制器)后,，會(huì)因此將傳輸轉(zhuǎn)送到南橋晶片。南橋晶片包含一個(gè)PCIExpress交換器,，會(huì)將這個(gè)讀取要求首次移入PCIExpress之中(如圖3底部所示的I/O集線控制器)。 

在這裡,，讀取要求進(jìn)入RootComplex的排列之中(圖4),。一旦讀取要求抵達(dá)排列前端時(shí)，RootComplex會(huì)將其放置于資料交易層封包(TLP)之中,，這個(gè)TLP包含一個(gè)回傳位址,，讓系統(tǒng)能傳遞所讀取的資料、被讀取資料的位址,，以及被讀取資料的長(zhǎng)度?，F(xiàn)在這個(gè)封包已經(jīng)準(zhǔn)備好透過(guò)連線傳送，但RootComplex應(yīng)該先確認(rèn)接收端的裝置有足夠的空間可暫時(shí)儲(chǔ)存這個(gè)封包,。 

PCI Express使用一種稱為「授權(quán)式(credit-based)流程控制」的方法,，以掌握連線另一端可用的緩沖區(qū)空間。當(dāng)一個(gè)端點(diǎn)裝置或交換器啟動(dòng)時(shí),，會(huì)傳送一個(gè)資料連結(jié)層封包(DLLP)到連線的另一端,，可顯示每一種傳輸類型有多少的緩沖區(qū)空間可以使用，然后傳送端的裝置會(huì)計(jì)算接收端還有多少剩餘空間可用,。因?yàn)榭赡艿慕邮站彌_區(qū)很多,，這種流程控制模式在PCIExpress介面中就顯得特別重要,，若采用重傳式流程控制法的話，因缺乏有系統(tǒng)的資料管理方式,，于是當(dāng)系統(tǒng)一搜尋到有內(nèi)含空間的接收緩沖區(qū)時(shí),，大量頻寬會(huì)在資料頻繁往返間被消耗掉。 

因?yàn)槲覀兊淖x取要求只有16位元的長(zhǎng)度,，因此只需要一次授權(quán)(credit),。當(dāng)Root Complex具備該傳輸類型以及虛擬通道(VC)所需的足夠credit之后(請(qǐng)參閱PCIExpress辭匯解釋中「虛擬通道」的定義)，會(huì)將讀取要求透過(guò)連線傳送(見圖4的箭頭#1所示),，并在其重傳緩沖區(qū)(ReplayBuffer)儲(chǔ)存該封包的復(fù)本,。這個(gè)重傳緩沖區(qū)會(huì)暫時(shí)保留封包復(fù)本，直到交換器確認(rèn)該封包為止,。雖然在PC背板上執(zhí)行錯(cuò)誤校正似乎不太需要,，但錯(cuò)誤校正可以提升伺服器可運(yùn)用的時(shí)間，且將容許這個(gè)規(guī)格未來(lái)之?dāng)U充以接納外部的連接線材,。 

下一步是當(dāng)交換器接收到讀取要求之后,，會(huì)查看位址欄，并根據(jù)主機(jī)所發(fā)出的位址范圍,，判斷正確的下傳埠,，然后將訊息放置在該通訊埠的傳輸緩沖區(qū)中。如果還有其他訊息需要處理,，交換器會(huì)先傳送具有較高優(yōu)先權(quán)的訊息,，然后將我們的讀取要求轉(zhuǎn)送到裝置中(見圖4的箭頭#2)。 

裝置會(huì)將讀取要求放在接收緩沖區(qū)當(dāng)中,，這個(gè)時(shí)候具有較高優(yōu)先權(quán)的虛擬通道再次有機(jī)會(huì)優(yōu)先被處理,。在我們現(xiàn)在討論的情況下，接收緩沖區(qū)是空的,，因此我們的要求可以立刻被處理,。該裝置會(huì)從其記憶體中擷取資料，并建立一個(gè)內(nèi)含對(duì)方要求之資料的讀取完成封包(ReadCompletion Packet),。這個(gè)讀取完成封包會(huì)進(jìn)入該裝置的傳輸緩沖區(qū)排列中,，預(yù)備透過(guò)交換器傳回RootComplex。當(dāng)傳輸緩沖區(qū)獲準(zhǔn)傳輸時(shí),，封包會(huì)透過(guò)連線傳送,，并儲(chǔ)存于重傳緩沖區(qū)之中。 

由于裝置與交換器之間的路徑目前沒有任何指令在進(jìn)行,，因此交換器可以進(jìn)行直接貫通傳輸(Cut-throughTransaction)的工作(見圖4之箭頭#3及箭頭#4),。進(jìn)行直接貫通傳輸時(shí)，交換器在尚未接收到完整的封包時(shí),，就會(huì)開始將封包傳送到上傳埠,；這種傳輸方式可以大幅降低PCIExpress系統(tǒng)的延遲率,。在我們的范例中，由于采用單一交換器,，直接貫通傳輸可以將回傳時(shí)的延遲率降低一半,。 

當(dāng)南橋晶片接收到讀取完成封包之后，會(huì)經(jīng)過(guò)北橋晶片回傳到CPU,，然后CPU可以再次運(yùn)作這個(gè)執(zhí)行緒,，而所讀取的資料也會(huì)呈現(xiàn)給使用者。雖然這個(gè)過(guò)程聽起來(lái)很復(fù)雜,，但其中有很多步驟是PC系統(tǒng)內(nèi)原來(lái)就具備的,。目前每一部電腦都有北橋與南橋晶片，而且這些步驟與指令的執(zhí)行皆以奈秒作為測(cè)量單位,。 

PCI Express將成未來(lái)10年P(guān)C匯流排 

PCI Express嚴(yán)然是PC演化的下一個(gè)步驟,。隨著最終使用者對(duì)頻寬需求不斷增加，另外電腦廠商愈來(lái)愈注重成本控制,，對(duì)照之下PCIExpress提供相當(dāng)有吸引力的解決方案,。PCIExpress和USB、SATA標(biāo)準(zhǔn)一樣,，可將數(shù)個(gè)龐大的平行匯流排轉(zhuǎn)變?yōu)閱我痪_的高速序列匯流排,。采用序列匯流排可以減少背板中線路的數(shù)量與線材，因此也可減少EMI,、成本與空間的使用,。而且PCIExpress具備與現(xiàn)有PC架構(gòu)之回溯相容性，因此不需要重新改造電腦系統(tǒng)即可搭配PCIExpress架構(gòu),。有鑑于PCIExpress在效能上的提升以及完善的回溯相容性,，PCIExpress無(wú)疑是未來(lái)十年真正的PC匯流排。