新一代PCI Express總線連結技術的崛起，將取代PCI總線
現(xiàn)在的主機板跟從前的不一樣了。從過去十多年來,，整個PC產業(yè)都在建構PCI(PeripheralComponent Interconnect)匯流排技術，而且所有電子工程科系的學生也都學習這項技術,。然而PCI規(guī)格卻已過時，因為PCI己無法滿足新一代消費性裝置以及電腦週邊產品使用的需求,，因此越來越多系統(tǒng)設計業(yè)者也表明「需要跳過PCI,，并使用準備好解決下一代傳輸頻寬需求的PCIExpress?！?nbsp;
事實上,，PCIExpress目前被廣泛認為是一項革命性的轉移技術，其重要性是可以滿足企業(yè)用戶,、消費者,，以及網(wǎng)路使用者對頻寬持續(xù)不斷提升的需求。現(xiàn)今最重要的資料通訊設備平臺以及個人電腦配備都采用PCI介面,，但為了支援未來持續(xù)增加的頻寬需求,，則有轉換成PCIExpress介面的必要性。
PCI逐漸轉移到另一項新世代匯流排技術的現(xiàn)象并不令人差異,，但要探討為何業(yè)界要采用一項新技術去取代一項原有的技術,，則是相當有趣的話題。而PCIExpress匯流排技術因為具備眾多技術優(yōu)點,，所以才能脫穎而出,。
PCI Express解決頻寬需求
第一個因頻寬需求增加而不適用PCI的周邊配備是高速影像卡。為了解決這個問題,，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,，幾乎都和主機板的晶片組直接連結以獲得足夠的頻寬。也因此整個PC架構需要一個新的擴充匯流排,，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題，許多技術標準陸續(xù)問世卻也很快就被淘汰,，例如更快,、頻寬更多的PCI規(guī)格,，以及某些伺服器設計所采用的PCI-X匯流排，都只是曇花一現(xiàn),。最后,，Intel公司計劃更改主機板晶片組的標準，并說服PCISIG組織采用它的3GIO(3rd Generation I/O)標準,，最后更公布將這項介面標準改名為PCIExpress,。
PCI Express是一種具擴充性的的匯流排，在首項規(guī)格改版中,，在2.5Ghz的訊號速度下可提供從每秒250Mb到每秒8Gb的訊號傳輸率,。甚至可以透過增加時脈速度或匯流排寬度的方式獲得更高的頻寬。PCIExpress最重要的技術效益之一,，在于這個介面具備與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)皆能維持相同的運作方式。
PCI Express有一項很有趣的特色,，就是這個規(guī)格可用兩種方式擴充(見表1),。最初的規(guī)格要求每個傳輸方向需要每秒2.5Gb或相當于大約每秒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)預計將成為新一代繪圖匯流排介面。
這套規(guī)格的另一項效益在于可以將匯流排延伸到PC機殼之外,。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匯流排將可用來連接PC外部的高頻寬週邊配備,。
PCI Express可達到短時間轉移
PCI Express和PC系統(tǒng)中的PCI架構十分相似，都是以週邊連接匯流排的型態(tài)建構于南橋晶片中,。此外,，PCIExpress也由北橋晶片中延伸出來，以供繪圖卡使用,。圖3顯示低價PC系統(tǒng)之PCI Express建構方式,。雖然目前很多週邊連接設備仍采用PCI介面，但為了迎合未來,，更高傳輸頻寬的需求將會在短時間內轉移到PCIExpress介面,。
由于具備優(yōu)異的基礎架構和PCI在軟體上的回溯相容性,，因此PCIExpress介面的轉移可以說是輕而易舉。此外,，全球產業(yè)對PCI介面都相當熟悉,，因此轉移到PCIExpress是相當合理的選擇。以下讓我們來探討典型PCIExpress傳輸?shù)倪^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,，讓我們來看看PCIExpress在實際應用中是如何進行的。以網(wǎng)頁瀏覽器的應用為例,，這項應用可能需要讀取從乙太網(wǎng)路卡中已經接收的一些資料,。為了讀取資料，瀏覽器會產生讀取記憶體緩沖區(qū)的要求,，而這個要求經過數(shù)個軟體層的傳播之后,，最后會到達硬體抽象層(HAL)。HAL屬于Windows作業(yè)系統(tǒng)的一部份,，可將各種邏輯位址轉譯為實體位址,。一旦這項要求通過HAL，CPU將會執(zhí)行實體記憶體位址的讀取動作,，此時這個CPU執(zhí)行緒必須等候讀取動作的完成,。
一旦讀取動作的傳輸離開CPU之后，將會經過前端匯流排(FSB,，如上面圖3所示)進入北橋晶片(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)奈恢罚l(fā)現(xiàn)目的地是南橋晶片(也稱為ICH或IO集線控制器)后,，會因此將傳輸轉送到南橋晶片,。南橋晶片包含一個PCIExpress交換器，會將這個讀取要求首次移入PCIExpress之中(如圖3底部所示的I/O集線控制器),。
在這裡,，讀取要求進入RootComplex的排列之中(圖4)。一旦讀取要求抵達排列前端時,，RootComplex會將其放置于資料交易層封包(TLP)之中,，這個TLP包含一個回傳位址，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度。現(xiàn)在這個封包已經準備好透過連線傳送,，但RootComplex應該先確認接收端的裝置有足夠的空間可暫時儲存這個封包,。
PCI Express使用一種稱為「授權式(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,。當一個端點裝置或交換器啟動時,，會傳送一個資料連結層封包(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計算接收端還有多少剩餘空間可用,。因為可能的接收緩沖區(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，于是當系統(tǒng)一搜尋到有內含空間的接收緩沖區(qū)時,，大量頻寬會在資料頻繁往返間被消耗掉,。
因為我們的讀取要求只有16位元的長度，因此只需要一次授權(credit),。當Root Complex具備該傳輸類型以及虛擬通道(VC)所需的足夠credit之后(請參閱PCIExpress辭匯解釋中「虛擬通道」的定義),，會將讀取要求透過連線傳送(見圖4的箭頭#1所示)，并在其重傳緩沖區(qū)(ReplayBuffer)儲存該封包的復本,。這個重傳緩沖區(qū)會暫時保留封包復本,，直到交換器確認該封包為止。雖然在PC背板上執(zhí)行錯誤校正似乎不太需要,，但錯誤校正可以提升伺服器可運用的時間,，且將容許這個規(guī)格未來之擴充以接納外部的連接線材。
下一步是當交換器接收到讀取要求之后,，會查看位址欄,，并根據(jù)主機所發(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，交換器會先傳送具有較高優(yōu)先權的訊息,，然后將我們的讀取要求轉送到裝置中(見圖4的箭頭#2),。
裝置會將讀取要求放在接收緩沖區(qū)當中，這個時候具有較高優(yōu)先權的虛擬通道再次有機會優(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,。該裝置會從其記憶體中擷取資料,，并建立一個內含對方要求之資料的讀取完成封包(ReadCompletion Packet)。這個讀取完成封包會進入該裝置的傳輸緩沖區(qū)排列中,，預備透過交換器傳回RootComplex,。當傳輸緩沖區(qū)獲準傳輸時，封包會透過連線傳送，并儲存于重傳緩沖區(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行,，因此交換器可以進行直接貫通傳輸(Cut-throughTransaction)的工作(見圖4之箭頭#3及箭頭#4)。進行直接貫通傳輸時,，交換器在尚未接收到完整的封包時,，就會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的延遲率降低一半,。
當南橋晶片接收到讀取完成封包之后,，會經過北橋晶片回傳到CPU，然后CPU可以再次運作這個執(zhí)行緒,，而所讀取的資料也會呈現(xiàn)給使用者,。雖然這個過程聽起來很復雜，但其中有很多步驟是PC系統(tǒng)內原來就具備的,。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)行皆以奈秒作為測量單位。
PCI Express將成未來10年PC匯流排
PCI Express嚴然是PC演化的下一個步驟,。隨著最終使用者對頻寬需求不斷增加,，另外電腦廠商愈來愈注重成本控制，對照之下PCIExpress提供相當有吸引力的解決方案,。PCIExpress和USB,、SATA標準一樣，可將數(shù)個龐大的平行匯流排轉變?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。有鑑于PCIExpress在效能上的提升以及完善的回溯相容性,，PCIExpress無疑是未來十年真正的PC匯流排,。
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